JP4304318B2 - Gene enrichment method - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method where it is possible to concentrate the gene which is expressed only in small amount from a mixture of the gene being expressed in large amount and the gene being expressed only in small amount even when the gene being expressed in large amount is unknown.

Description

技術分野
本発明は、微生物の混合物から調製したDNA試料中の稀少微生物ないし培養が不可能な微生物に由来する微量遺伝子、または動植物の細胞で微量しか発現していない微量遺伝子を濃縮する方法、および当該濃縮方法によって取得された微量遺伝子、該微量遺伝子の解析方法、微量遺伝子の濃縮装置、ならびに微量遺伝子濃縮用キットに関する。
なお、本明細書において、DNA試料中に最初微量にしか存在しなかった遺伝子を「微量遺伝子」と、最初多量に存在していた遺伝子を「多量遺伝子」という。
背景技術
微生物の生産する有用物質は、工業用酵素や抗生物質などとして広く利用されているが、自然界に存在する微生物の95〜99%は培養が不可能であり、これら培養が不可能な微生物は今だ工業的に利用されていない。しかし、培養が不可能な微生物から工業的に有用な酵素の遺伝子を取得し、または抗生物質など微生物が生産する有用物質の生合成系の遺伝子を取得して、当該遺伝子を適切な宿主で発現させれば、新規な工業用酵素や抗生物質などの有用物質を大量に生産することができるので、その産業上の有用性は計り知れない。
微生物から上記のような有用遺伝子を取得するためには、通常、有用遺伝子を持つ微生物を単離、培養し該微生物からDNAを抽出して、遺伝子ライブラリーを作成することから始まる。原理的には、当該遺伝子ライブラリーを適当な宿主で導入・発現させて、適当な方法で活性を持つ形質転換体をスクリーニングし、選別すれば良い。しかし、この方法では、種々の微生物が混合した標品中の一部を占めるに過ぎない微生物または単離・培養することが不可能な微生物から、有用遺伝子を取得するには多大の時間と労力を要する。特に、有用遺伝子を有する微生物の混合体に占める割合がごく僅かであり、そのうえ該微生物が培養不可能な微生物である場合には、当該微生物から有用遺伝子を取得することは、事実上不可能となる。微生物の標品中に僅かしか存在しない微生物および標品中の培養が不可能な微生物に由来する遺伝子、すなわち微量遺伝子ないし僅少遺伝子を相対的に濃縮することができれば、その後の有用遺伝子のスクリーニングが効率化され、労力、時間および費用が大幅に節減される。
一方、ヒトの体を構成している細胞は200以上の種類に分けられ、それぞれの細胞は約10万種の遺伝子を持つ共通のゲノムをもち、細胞型に応じて数万種類の遺伝子を発現していると考えられている。このような遺伝子の発現を調べることは、個々の遺伝子の機能に関する知見を得るためだけではなく、生命現象を解明するうえでますます重要になりつつある。また、これまで少数の比較的限られた遺伝子を対象にした詳細な解析が行われてきた結果、多くの生命現象は複数の遺伝子が協調的に働くことが分かってきた。
遺伝子発現は、その発現量から3つのクラスに大きく分けられる。細胞あたり約103〜4コピー程度のAbundantクラス、約10コピー程度のIntermediateクラス、そして約10コピー程度しかないRareクラスである。一方、発現遺伝子の種類に関しては、哺乳類においては細胞当たり数万種類に及び、ほとんどの遺伝子はRareクラスに属する。つまり、細胞内における発現遺伝子は、発現量の多い(103〜4コピー)Abundantクラスの遺伝子が極少数種存在し、ごく微量しか発現していない(10コピー)Rareクラスの遺伝子が膨大な種類存在する状態にある(例えば、Alberts,B., et al.(1989)Molecular biology of the cell, 2nd edition. Garland Publishing Inc.)。このような状況下にあり、微量遺伝子を含めた多数種の遺伝子をより詳細に解析する技術の必要性がうたわれ、これらの解析を行うことにより遺伝子診断など医療面での利用も期待されている。
現在、微量遺伝子解析には、正準化法(Minoru S.H.Ko (1990) Nucleic Acids Res.,18, 5705-5711)、ディファレンシャル・ディスプレー法(Liang,P., and Pardee,A.B. (1992) Science 257, 967-971)もしくはモレキュラー・インデックス法(Kikuya Kato (1995) Nucleic Acids Res.,23,3685-3690)等)などのmultiplex PCRをベースにした方法、およびDNAチップを使用する方法などが知られている。正準化法では、ある高分子核酸混合物をハイブリダイゼーション条件下に置き、適当な時間に二本鎖になった核酸と一本鎖で残っているものとを分離すると、微量遺伝子を多量遺伝子と同程度の量にまで濃縮することができる。しかし、正準化法では、処理後に微量遺伝子の方が多量遺伝子に比して多くなることは有り得ないので、濃縮の効果は限定的である。ディファレンシャル・ディスプレー法などのmultiplex PCRを用いた解析を行った場合、競合的なPCR反応が起こり、遺伝子の存在量に強いバイアスがかかるため通常のPCRに比べ検出感度が低下し、Rareクラスの遺伝子を検出することが難しくなることが知られている(David J. Bertioli, et al. (1995) Nucleic Acids Res., 23, 4520-4523)。こうした問題点を克服する方法として、特開2000−37193号では核酸試料中に多く存在する既知の遺伝子を除去して微量遺伝子を濃縮する方法が開示されているが、多量に存在する遺伝子が既知でないとこの方法は利用できない。
一方、ある生物種の変異遺伝子を同定する方法として、所謂サブトラクション法およびその変法がある(Ellen E. Lamar and E. Palmer (1984) Cell, 37, 171-177、Ilse Wieland et al. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 2720-2724、Anne Kallioniemi et al. (1992) Science 258, 818-821、 Nikolai Lisitsyn et al. (1993) Science 259, 946-951)。これらは同一生物種の2個体においてその大部分が同一な遺伝子(AとBとする)の中で質的もしくは量的に異なっている遺伝子、または二つの異なった状態にある同一型細胞におけるmRNAから調製したcDNAの中で存在量が異なっている遺伝子(AとBとする)を濃縮し単離する方法であって、何らかの方法でA(B)の中のB(A)と同一の遺伝子をB(A)の遺伝子を用いて除去すれば、A(B)にのみ存在する特異的な遺伝子を取得できることを原理としている。したがって、該方法においては必然的に含まれる遺伝子の大部分が同一である2種類のDNA試料を必要とする。
しかし、自然界のある標品(土壌、湖水、河水など)中には非常に多種類の微生物が存在し、それらの微生物組成は標品によって異なるのが一般であり、それぞれが固有の組成を持つ。したがって、その中の稀少微生物に由来する微量遺伝子を濃縮する場合、引かれるものと引くものという、含まれる遺伝子の大部分が同一である2種類のDNA試料を用意することが不可能であるから、上記サブトラクション法を用いて該微量遺伝子を濃縮することはできない。また、cDNA試料中の微量遺伝子を濃縮するため、含まれる遺伝子の大部分が同一であり、該微量遺伝子を含むcDNA試料と含まないcDNA試料の2種類のcDNA試料を用意することは、極めて困難であるから、該微量遺伝子を上記サブトラクション法により濃縮することは困難である。
発明の開示
本発明は、標品中に僅かしか存在しない稀少微生物もしくは培養不可能微生物に由来する微量遺伝子を濃縮する方法、および生物個体、生物組織もしくは細胞中で発現している多数種の遺伝子のなかで、多量遺伝子について未知であっても、微量遺伝子を濃縮することができる方法、ならびに当該微量遺伝子濃縮のための装置およびキットを提供することを目的とする。
発明者は鋭意研究を重ねた結果、ゲノムサイズの解析および反復配列の解析に用いられてきたCot解析において、二本鎖再形成反応速度はゲノムサイズに反比例し、同一配列の濃度に比例することから、微量遺伝子と多量遺伝子を含むDNA試料中の微量遺伝子を濃縮できることを想到し、大腸菌DNA、枯草菌DNAおよび仔ウシ胸腺DNAの混合溶液から、該混合溶液中の微量遺伝子を濃縮できることを確認して本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
(1)微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ターゲットDNAとドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にする。または、ターゲットDNAおよびドライバーDNAを一本鎖にした後、混合する。
(c)ハイブリダイゼーションを行い、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。
(d)ターゲットDNAの代わりに、(c)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて、(b)と(c)の操作を1または複数回行う。
(2)微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを切断する。但し、このときドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるようにする。
(c)ドライバーDNAを標識する。また、所望によりターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着する。
(d)ターゲットDNAと過剰量の標識されたドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にしたのち、ハイブリダイゼーションを行う。
(e)ドライバーDNAの標識によって、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。
(f)ターゲットDNAの代わりに、(e)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて(d)と(e)の操作を1または複数回行う。
(3)ドライバーDNAの混合量(d)とターゲットDNAの混合量(t)との比d/tが、1を超えて1000以下であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(4)ドライバーDNAが、ビオチン、ジゴキシン、フルオレセインまたはローダミンで標識されることを特徴とする前記(2)または(3)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(5)ドライバーDNAの平均鎖長が200〜300塩基対であり、ターゲットDNAの平均鎖長が1000塩基対以上であることを特徴とする前記(2)〜(4)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(6)DNAの切断が、ドライバーDNA画分では4塩基認識制限酵素により、ターゲットDNA画分では5〜8塩基認識制限酵素により行われることを特徴とする前記(2)〜(5)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(7)DNAの切断が、ドライバーDNA画分ではMsp Iにより、ターゲットDNA画分ではSse 8387Iにより行われることを特徴とする前記(6)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(8)DNAの切断が、超音波または機械的剪断力により行われることを特徴とする前記(2)〜(5)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(9)微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを切断する。但し、このときドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるようにする。所望によりターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着する。
(c)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを一本鎖にする。
(d)一本鎖にしたドライバーDNAを担体に固定する。
(e)一本鎖ドライバーDNAが固定化された担体を、一本鎖にしたターゲットDNAの溶液に接触または混合し、ハイブリダイゼーションを行う。
(f)担体と溶液を分離することによって、ドライバーDNAと二本鎖を形成したターゲットDNAを除去する。
(g)ターゲットDNAの溶液の代わりに、(f)で得られるターゲットDNAの溶液を用いて、(e)と(f)の操作を1または複数回行う。
(10)DNA試料が、少なくとも2種類以上の微生物、生物、生物組織もしくは細胞が混在する標品から抽出したDNA試料、または生物個体、生物組織もしくは細胞から抽出した核酸および/もしくはその核酸より調製したDNA試料であることを特徴とする前記(1)〜(9)に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法、
(11)処理前において存在量の少なかった微量遺伝子の処理前において存在量の多かった遺伝子に対する存在比が、処理後に増加していることを特徴とする前記(1)〜(10)に記載の方法で得られるDNA試料。
(12)前記(1)〜(10)に記載の方法で微量に存在する遺伝子(以下、「微量遺伝子」という)を濃縮する工程、得られた微量遺伝子が濃縮されたDNA試料から微量遺伝子を取得する工程および微量遺伝子の塩基配列を解析する工程よりなることを特徴とする微量遺伝子を解析する方法、
(13)前記(1)〜(10)に記載の方法で得られる微量に存在する遺伝子が濃縮されたDNA試料から取得された遺伝子、
(14)(a)ターゲットDNAと標識されたドライバーDNAの混合溶液中のDNAを一本鎖にする手段と、(b)ハイブリダイゼーションを行う手段と、(c)ドライバーDNAの標識によって、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを除去する手段と、(d)ターゲットDNAの代わりに、(c)で得られる2本鎖DNAが除去されたDNA溶液を用いて、(b)と(c)の手段を繰り返す手段とを含むことを特徴とする微量遺伝子濃縮装置、
(15)(a)一本鎖にしたドライバーDNAを担体に固定する手段と、(b)一本鎖ドライバーDNAが固定化された担体を、一本鎖にしたターゲットDNAの溶液に接触または混合し、ハイブリダイゼーションを行う手段と、(c)担体と溶液を分離することによってドライバーDNAと二本鎖を形成したターゲットDNAを除去する手段と、(d)ターゲットDNAの溶液の代わりに、(c)で得られるターゲットDNAの溶液を用いて、(b)と(c)の手段を繰り返す手段とを含むことを特徴とする微量遺伝子濃縮装置、及び
(16)DNAを切断する手段、標識物質または担体、DNAを標識するための試薬またはDNAを担体に固定化するための試薬、ハイブリダイゼーション用試薬およびドライバーDNAとターゲットDNAとの二本鎖DNAを除去する手段を含むことを特徴とする微量遺伝子濃縮用キット、
に関する。
発明を実施するための最良の形態
本発明を以下に詳細に説明するが、まず本発明の理論的背景となったCot解析(沢田幸治他、新生化学実験講座・核酸I、第10章 ハイブリダイゼーションによる核酸の分画、193〜238頁)について述べる。
高分子核酸のハイブリッド形成反応は相補鎖分子間の有効な衝突を律速とする下記の二次反応式(1)に従い、反応速度は一本鎖DNAの濃度[C]の2乗に比例する。
d[C]/dt = −k[C] (1)
(式中、[C]は一本鎖DNAの濃度を表し、tは反応時間を表し、kは反応速度定数を表す。)
動物細胞のDNAのように反復配列を含む場合は、配列によって初濃度が異なるために反応の進行は多相性となる。相補鎖の一方が大過剰(20倍以上)の場合は擬一次反応として取り扱うことができる。
液相における核酸ハイブリダイゼーション反応の速度論的考察を土台として、核酸の一次構造を解析する事ができる。これがCot、Crt解析である。Cot解析はDNA−DNAハイブリダイゼーション、Crt解析はDNA−RNAまたはRNA−RNAハイブリダイゼーションの解析であり、後者はRot解析ともいう。1968年にBrittenとKohne(R. J. Britten and D. E. Kohne, Science, 161, 529)は動物細胞DNAの二本鎖DNA再形成反応を速度論的に解析し、(1)ゲノムサイズの解析(ゲノムDNAの塩基配列の多様性)、(2)塩基配列の繰り返しの解析にCot解析が利用できることを最初に示した。Cot、Crt解析は、核酸の分画の際の指標としても用いられる。
(1)Cot解析とゲノムサイズ
式(1)を積分して初濃度を[C]とすると、
[C]/[C]=1/(1+k[C]t) (2)
(式中、[C]は一本鎖DNAの初濃度を表す。[C]、tおよびkは上記定義に同じ。)
となり、[C]tを横軸に[C]/[C]を縦軸にプロットするとCot曲線が得られる(図1)。
Cotの単位としてはヌクレオチドmol・sec/lが用いられる。ヌクレオチドの平均分子量を314とすると、1μg/mL DNA は3.19×10−6ヌクレオチドmol/lとなるから、
[C]t=DNA(μg/ml)×1.15 ×10−2 × 時間(hr) (3)
となる。これを近似すると、
[C]t=DNA(A260)×時間(hr)/2 (4)
(式中、A260は260nmにおける吸光度を表す。)
DNA分子内に反復配列の無い場合、Cot曲線は一次シグモイド曲線となる(図1)。
(2)から、
([C]―[C])/[C]=k[C]t (5)
(式中、[C]、[C]、tおよびkは上記定義に同じ。)
となり、[C]tを横軸に、([C]―[C])/[C]を縦軸にプロットすると直線となる。その勾配の逆数が[C]t1/2である。
[C]t1/2=1/k (6)
(式中、t1/2は一本鎖DNAの50%が二本鎖DNAになったときの時間を表す。[C]およびkは上記定義に同じ。)
DNA濃度をヌクレオチドmol濃度でそろえると、二本鎖再形成反応速度はゲノムサイズに反比例し、従って[C]t1/2と比例する。このことから、各種生物のゲノムサイズが算出できる(図1)。
(2)反復(繰り返し)配列
DNA分子内に反復配列が有る場合、Cot曲線はユニーク配列の一次シグモイド曲線と各反復配列の一次シグモイド曲線とをそれぞれ合成したものとなる。仔ウシ胸腺DNAの場合、反応は2段階に分けられ、約40%は[C]t1/2値が0.03、60%は[C]t1/2値が3000を示す一次シグモイド曲線の合成として近似される。後者はユニーク配列、前者は10万コピーある高度反復配列であるといえる(図2)。なお、適当な時間で反応を停止し、一本鎖及び二本鎖DNAを分離することによって、ユニーク配列と反復配列とを分離することが可能である。
ここで、例えば、土壌、湖水、河水などの少なくとも2種類以上の微生物、生物、生物組織または細胞が混在する標品から抽出したDNAは、一つの高等生物のゲノムと同等と考えることができ、メタゲノムと定義される。メタゲノムの中では、最少量の微生物等に由来する遺伝子をユニーク配列、それ以上存在する微生物等に由来する遺伝子は反復配列であるとみなせる。該反復配列はその存在数によって高度反復配列、中度反復配列、低度反復配列と分類される。
また、生物個体、生物組織もしくは細胞から抽出した核酸および/もしくはその核酸より調製したDNAにも、mRNAから調製したcDNAように、その存在量に大きな多様性があり、ユニーク配列と反復配列という分類が可能である。
上記のCot解析の理論に拠って、コピー数が多いDNAほど二本鎖になるのが速いから、本発明において用いるDNA試料を適当な条件で一本鎖にした後、二本鎖を再形成させ、形成した二本鎖DNAを適当な方法で分離・除去すれば、残った一本鎖DNAの試料中では、微量遺伝子が相対的に濃縮されることとなる。しかし、ここで注意しなければならないのは、この場合の濃縮とはあくまでも相対的なものであって、微量遺伝子が最終的に多数派になることは有り得ず、最高でたかだか多量遺伝子と同程度の量となるのみであることである。上に述べたように、これは正準化法として実際に用いられている方法である。
しかし、以下のような方法で、微量遺伝子の存在量を多量遺伝子よりも、処理後に多量にすることが可能であることを着想し、本発明を完成させるに到った。
具体的には、本発明に係る遺伝子濃縮方法は、微量遺伝子と多量遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量遺伝子を多量遺伝子から分離することにより、微量遺伝子を濃縮することを特徴とする。(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。(b)ターゲットDNAとドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にする。または、ターゲットDNAおよびドライバーDNAを一本鎖にした後、混合する。(c)ハイブリダイゼーションを行い、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。(d)ターゲットDNAの代わりに、(c)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて、(b)と(c)の操作を1または複数回行う。
その原理を以下に説明する。ここで、多量遺伝子を遺伝子Aと、微量遺伝子を遺伝子Bとする。ドライバーDNA中の遺伝子Aの部分配列および/もしくはその周辺配列を含む特有の配列をA、遺伝子Bの部分配列および/もしくはその周辺配列を含む特有の配列をBとする。AおよびBは、ターゲットDNA断片中にも同一の配列が存在する。また、[X]はn回ハイブリッド・非ハイブリッド分離の操作を行ったときのXの濃度を示す。「=〜」は同量または同程度の量であることを示す。
最初のハイブリダイゼーションとハイブリッド・非ハイブリッド分離の操作で、Aは大幅に除去され、その濃度は[ターゲットA]([ターゲットA]>[ターゲットA])となる。一方、[ターゲットA+ドライバーA]>>[ターゲットB+ドライバーB]であるから、Cotが適当で有る場合、[ターゲットB]は殆ど変化がない。次のハイブリダイゼーションの時、[ターゲットA+ドライバーA]=〜[ドライバーA]>>[ターゲットB+ドライバーB]であるから、その反応は殆どドライバーDNAの濃度のみに依存する擬一次反応となる。すなわち、Aに比べてBのハイブリダイゼーションはほとんど無視でき、ハイブリッド・非ハイブリッド分離操作後、ターゲットAはさらに除去されて[ターゲットA]となる([ターゲットA]>[ターゲットA])が、[ターゲットB]はほとんど変化が無い。これを繰り返す事により[ターゲットA]<<[ターゲットB]=〜[ターゲットB]となって、ターゲットDNA中にはBを持った遺伝子Bばかりが残ることになる。
つまり、本発明に係る微量遺伝子濃縮方法の特長は、ハイブリダイゼーションの度に新たに供給されるドライバーAが、常にハイブリダイゼーション系の中で際立って濃度が高く、したがってAのハイブリダイゼーション速度が際立って速いということである。従来の正準化法においては、AとBの濃度が同程度になると、各々がハイブリダイズする確率は等しくなるので、それ以上一方を優先的に濃縮することができない。しかし、本発明においては、常にドライバーAの濃度が際立って高いために、以下のようにして遺伝子Bの方を遺伝子Aよりも多量になるまで濃縮することが可能となる。
(i)[ターゲットA]>>[ターゲットB]のとき(1回目の操作のとき)
この場合は、ターゲットDNAとドライバーDNAを混合したハイブリダイゼーション系においてドライバーAが多量に存在するので、ドライバーAがターゲットAと有効に衝突しハイブリダイズする確率はBの場合よりもはるかに高い。ドライバーDNAとターゲットDNAが形成する二本鎖DNAを選択的に除去することにより効率よくターゲットAが除去され、一方でターゲットBは殆ど除去されることなく系に残る。ゆえに遺伝子A(多量遺伝子)と遺伝子B(微量遺伝子)を分離して、遺伝子B(微量遺伝子)を濃縮することができる。
(ii) [ターゲットA]=〜[ターゲットB](操作を繰り返したとき)
さらに濃縮を繰り返し、[ターゲットA]と[ターゲットB]とが同程度になっても、この溶液とドライバーDNAとを混合した新たなハイブリダイゼーション系においては、新たに供給されたドライバーAの濃度が際立って多いので、ターゲットAとドライバーAが有効に衝突する確率のほうが、ターゲットBとドライバーBが有効に衝突する確率よりもはるかに高い。よって、ドライバーAとハイブリダイズしたターゲットAが除去され、殆どのターゲットBは系に残る。ゆえに遺伝子A(多量遺伝子)よりも多量になるまで遺伝子B(微量遺伝子)を濃縮することができる。
本発明において用いるDNA試料は特に限定されずいかなるものでもよい。例えば、少なくとも2種類以上の微生物、生物、生物組織または細胞が混在する試料から抽出したDNA試料が挙げられる。したがって、土壌、湖水、河水など自然界において得られる固有の微生物組成を持つ試料から微生物を分離、培養することなしに、該試料から抽出したDNAを用いることができる。本発明に係る微量遺伝子の濃縮方法は、このように固有の微生物組成を持つ試料に対しても適用できるという利点がある。
本発明において用いるDNA試料としては、生物個体、生物組織もしくは細胞から抽出した核酸および/もしくはその核酸より調製したDNA試料であってもよい。例えば、炎症を起こした組織と正常な組織とが混合した組織、ガン化した細胞と正常細胞とが混合した細胞、または微生物、ウイルス等が感染した細胞と非感染細胞の混合物から抽出されるDNAおよび/またはmRNAから調製されるcDNA試料が挙げられる。さらに、細胞内で多種類の遺伝子が発現しているmRNAから調製されるcDNA試料であってもよい。
DNAの抽出方法としては、例えば、アルカリSDS法もしくは遠心法、またはこれらの組み合わせなど自体公知の方法を用いてよい。また、市販のDNA抽出キットを適宜用いることができる。
本発明の一実施態様としては、(1a)DNA試料を2分し(一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。)、(1b)ターゲットDNAとドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にするか、または、ターゲットDNAおよびドライバーDNAを一本鎖にした後、混合し、(1c)ハイブリダイゼーションを行い、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去し、(1d)ターゲットDNAの代わりに、(1c)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて、(1b)と(1c)の操作を1または複数回行うことにより、微量遺伝子を多量遺伝子から分離し微量遺伝子を濃縮するという方法が挙げられる。
上記操作(1a)において、DNA試料は任意に2分すればよい。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。ただし、DNA試料が微量しかない場合は、操作(1b)におけるターゲットDNAとドライバーDNAとの混合比を鑑みて、ドライバーDNA画分の方が多くなるように2分することが好ましい。さらに、全DNA量が十分でない時、予めPCRによって増幅してから、ターゲットDNA画分とドライバーDNA画分に分離して、以降の操作を行っても良い。ここで、ドライバーDNAのみ画分をPCR法で増幅すると、配列による増幅程度の相違が、後に濃縮される配列に複雑な偏向を与える。
操作(1b)においては、ターゲットDNAに対し、ドライバーDNAを過剰量混合するのが好ましい。ドライバーDNAを過剰量加えることにより、効率よく多量遺伝子を除去することができるためである。より具体的には、ドライバーDNAの混合量(d)とターゲットDNAの混合量(t)との比d/tが、1を超えて約1000以下、好ましくは約10〜1000程度、より好ましくは約100〜1000程度が好適である。特に、ドライバーDNAの混合量が多いほうがハイブリダイゼーションの時間を短くできる。ただし、ドライバーDNAの混合比を多くすればそれだけDNA試料が多量に必要になる。したがって、本発明においては、DNA試料が十分にない状況などの場合は、上記混合比d/tが1を超えて10程度、より好ましくは約10程度であっても好適である。
DNAを一本鎖にする方法としては、自体公知の方法を用いてよく、例えば約94℃程度の熱を約1分程度加えること、またはアルカリ処理することなどにより一本鎖にすることができるが、実施例に記載の条件が好ましい。また、ターゲットDNAとドライバーDNAを混合した後一本鎖にしてもよいし、混合する前にターゲットDNA、ドライバーDNAそれぞれを一本鎖にしておいてもよい。
上記操作(1c)において、ターゲットDNAとドライバーDNAをハイブリダイズさせる。このときのハイブリダイゼーションの条件は自体公知の方法に従ってよいが、実施例に記載の条件が好ましい。ここで、ターゲットDNAとドライバーDNAとのハイブリダイズとしては、ターゲットDNAの一部分にドライバーDNAがハイブリダイズしている状態、またはターゲットDNAに複数のドライバーDNAがハイブリダイズしている状態も含まれる。
ついで、ターゲットDNAとドライバーDNAとがハイブリダイズした二本鎖DNAを除去する。同時に、ドライバーDNA同士がハイブリダイズした二本鎖DNA、および一本鎖ドライバーDNAも除去されることがある。ターゲットDNAとドライバーDNAとがハイブリダイズした二本鎖DNAを除去する方法としては、自体公知の方法を用いてよく、例えば、ハイドロキシアパタイトを用いたバッチ法あるいはカラムクロマトグラフィー法、CsCl等を用いた比重遠心法などの方法が挙げられる。
上記操作(1c)によって、多量遺伝子が除去され、微量遺伝子が濃縮される。しかし、多量遺伝子を十分に取り除くために、操作(1d)、すなわちターゲットDNAの代わりに、(1c)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて、(1b)と(1c)の操作を行うことが好ましく、また、少なくとも操作(1d)を1回以上繰り返して行うことがより好ましい。
本発明の好ましい態様としては、(2a)DNA試料を2分し(一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。)、(2b)ドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるように、ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいてDNAを切断し、(2c)ドライバーDNAを標識し、所望により、ターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着し、(2d)ターゲットDNAと過剰量の標識されたドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にしたのち、ハイブリダイゼーションを行い、(2e)ドライバーDNAの標識によって、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。また、このときに、ドライバーDNA同士が形成した二本鎖DNA、および一本鎖ドライバーDNAも除去される。ついで、(2f)ターゲットDNAの代わりに、(2e)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて(2d)と(2e)の操作を1または複数回行うことにより、微量遺伝子を多量遺伝子から分離し微量遺伝子を濃縮するという方法が挙げられる。
上記(2b)の操作において、DNAを切断する方法としては、自体公知の方法を用いることができ、具体的には、制限酵素処理、超音波処理または物理的剪断力などを用いることができる。制限酵素を用いて切断する場合は、認識する塩基対数の異なる制限酵素を用いることにより、所望のサイズのDNA断片に切断することができる。例えば、8塩基認識Not Iを用いた場合、予想断片長は平均65,536塩基対で細菌の遺伝子60個分ぐらいの長さになる。もう少し短いものが所望される場合は、例えば7塩基認識のCpo Iを用いると、1塩基対がAまたはTであるので、4×2=8,192塩基対が予想平均長で、7〜8個の遺伝子を含む長さとなる。
一般に、ターゲットDNAを大きくすれば、遺伝子が複数連なったものが取得できる。したがって、ターゲットDNAとしては、平均鎖長が約1000塩基対程度以上ものが好ましい。ある代謝系に関係する遺伝子は該遺伝子が複数連なった遺伝子クラスターを作る事が多いから、本発明に係る方法はクラスター遺伝子の取得に有用である。この時、ドライバーDNAのサイズはターゲットDNAと同程度でも良いが、小さい方がハイブリダイゼーションの効率および特異性が上がるため好ましい。具体的には、Cot解析をするときに通常用いられているDNAのサイズ(鎖長)である約200〜300塩基対程度にすればよい。DNAのサイズ(鎖長)があまりにも長いと、それだけ、ある部分は類似配列があり、ある部分はユニークであるというような一本鎖DNA上の配列の構成が複雑になるから、上記サイズが好ましい。
このようにドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるようにするためには、ドライバーDNA画分では4塩基認識制限酵素により、ターゲットDNA画分では5〜8塩基認識制限酵素により操作(3b)におけるDNAの切断を行うことが好ましい。また、ドライバーDNA画分では4塩基認識のMsp Iにより、ターゲットDNA画分では8塩基認識のSse 8387IによりDNAの切断を行うことがより好ましい。
ドライバーDNAは、ハイブリダイゼーションを行う前に予め標識しておくのが好ましい(操作(2c))。標識しておくことにより、ドライバーDNAとターゲットDNAとがハイブリダイズした二本鎖DNAを効率よく除去できるという利点がある。ドライバーDNAの標識には、標識DNAと非標識DNAとが分離出来るものであれば自体公知のものを用いることができる。実施例において用いているアビジン以外にも、例えばジゴキシン、フルオロセイン、ローダミン等を用いることができる。
ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを混合溶液から除去(操作(2e))は、その標識に応じた自体公知の方法にしたがって除去することができる。例えば、標識としてビオチンを用いた場合は、アビジンを結合させたダイナビーズでターゲットDNAとドライバーDNAとがハイブリダイズした二本鎖DNAを除去することができる。また、抗標識抗体を用いる方法も挙げられる。
また、ターゲットDNAを断片化した後、リンカー・アダプターを付加してもよい(操作(2c))。こうすることにより、濃縮操作の後でPCR法による増幅、クローニング・ベクターへの組み込みを容易にすることができる。
なお、他の操作については、上述の操作(1a)〜(1d)と同様である。
本発明の他の好ましい態様としては、(3a)DNA試料を2分し(一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。)、(3b)ドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるように、ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいてDNAを切断し、所望によりターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着し、(3c)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを一本鎖にし、(3d)一本鎖にしたドライバーDNAを担体に固定し、(3e)一本鎖ドライバーDNAが固定化された担体を、一本鎖にしたターゲットDNAの溶液に接触または混合し、ハイブリダイゼーションを行い、ついで(3f)担体と溶液を分離することによって、ドライバーDNAと二本鎖を形成したターゲットDNAを除去し、(3g)ターゲットDNAの溶液の代わりに、(3f)で得られるターゲットDNAの溶液を用いて、(3e)と(3f)の操作を1または複数回行うことにより、微量遺伝子を多量遺伝子から分離し微量遺伝子を濃縮するという方法が挙げられる。
ドライバーDNAとターゲットDNAとがハイブリダイズした二本鎖DNAを効率よく除去できるようにするために、ドライバーDNAを標識する代わりに、ドライバーDNAを、ハイブリダイゼーションを行う前に予め担体に固定しておくのも好ましい(操作(3c))。ドライバーDNAを担体に固定する方法としては、自体公知の方法を用いることができる。例えば、ニトロセルロース膜やナイロンメンブレンなどに吸着させる方法、ポリリジンでコーティングしたガラス表面ないしシラン処理したガラス表面に物理的に吸着させる方法などが挙げられる。また、ストレプトアビディンを固相化した担体に上記ビオチンで標識したドライバーDNAを固定化する方法も挙げられる。
このようにドライバーDNAを担体に固定しておけば、担体とターゲットDNAの溶液を分離することによって、ターゲットDNAの溶液中からドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNA、すなわち多量遺伝子の大部分を容易に除去することができる(操作(3f))。
ここで、多量遺伝子を精度よく取り除くためには、多量遺伝子の除去状態を検出しながら取り除くことも有効である。そこで、本発明においては、例えば、除去された二本鎖DNA溶液を用いてまたは回収された一本鎖DNA溶液を用いて、多量遺伝子の除去の程度をモニターし、所望により残存する多量遺伝子を除去する操作(2f)または(3g)を行う方法を用いてもよい。かかる方法は自体公知の方法を組み合わせればよいが、具体的な一態様を図6に示す。ハイブリダイズした二本鎖DNAを除去するまでは、上記と同様に行う。除去された二本鎖DNA溶液を用いて、その中の多量遺伝子を、自体公知の方法を用いて検出する。その結果、例えば、多量遺伝子が実質的に検出されなかったり、またはその量が初めに除去された二本鎖DNA溶液中の多量遺伝子の濃度に比べて十分に減少している場合は、溶液中に多量遺伝子が少ないということなので、さらに繰り返して操作(2f)または(3g)を行う必要がなく、微量遺伝子の取得の工程に移ることができる。一方、その逆の結果が出た場合は、上記操作(2f)または(3g)を行うのが好ましい。
かかる多量遺伝子の除去の程度をモニターするために、多量に存在する生物種のゲノムに共通する配列(共通配列)をマーカーとして用いて、多量遺伝子の量を推定することができる。共通配列の存在量を測定するためには、共通配列をプローブとしたハイブリダイゼーション法、あるいは共通配列をプライマーとしたPCR法を利用することができる。共通配列としては、多種類の生物が混合している標品から抽出したDNAの場合は、rRNAをコードしている遺伝子(rDNA)に存在する共通配列が望ましい。数多くの生物種についてrDNAの塩基配列が知られているからrDNAの共通配列を見出すことが容易であること、およびゲノムあたりのrDNAのコピー数が多いことがrRNA中の共通配列をマーカーとして好適であることの理由である。多量に存在する生物種が限定される場合、例えば原核生物に限られる場合は、より多くの共通配列が存在する。さらに生物種が限定される場合、例えば放線菌に限定される場合は、さらに数多くの共通配列が存在する。共通配列はrDNAに限定する必要はなく、多量に存在する生物種のゲノムにある共通配列、例えば当該生物種に共通して存在するタンパク質をコードする遺伝子中に存在する共通配列であってもよい。例えば、シトクロームC遺伝子は全ての生物種に存在し、多くの生物種についてその塩基配列が知られているから、シトクロームC遺伝子中に存在する共通配列はマーカーとして好適である。
DNA試料中の多量遺伝子が同一生物種の生物固体、生物組織・細胞に由来する場合は、その生物種に特異的な遺伝子を多量遺伝子の量を推定するマーカーとすることができる。また、DNA試料が同一生物種の生物固体、生物組織・細胞に由来するcDNAの場合は、発現量の多い遺伝子をマーカーとして用いることができる。
この操作(2f)または(3g)の繰り返し回数は一義的には決めず、Cot値との兼ね合いで、1回、2回、・・・N回操作して得られた各回収DNA画分のうちの複数の回収DNA画分を遺伝子の取得操作に供する事が望ましい。それによって、最初の試料中において存在数の異なる微生物/生物の遺伝子それぞれについて存在濃度の異なる複数のDNA画分から有用遺伝子を取得できる可能性が有るからである。操作を繰り返すにつれ、最少量の遺伝子がより容易に取得できるようになる。
本発明のより好ましい態様としては、(4a)DNA試料を二分し(一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。)、(4b)制限酵素を用いてターゲットDNA画分では平均鎖長が約1000塩基対程度以上の長いDNA(ターゲットDNA)に、一方は平均鎖長が約200〜300塩基対程度の短いDNA(ドライバーDNA)に切断する。(4c)ドライバーDNAを化学的にビオチン化する。(4d)該ビオチン化したドライバーDNA(その混合量をdとする)とターゲットDNA(その混合量をtとする)とを、その混合比d/tが1を超えて1000以下、好ましくは10程度となるように混合し、該混合溶液中のDNAを一本鎖にしたのち、液相中でハイブリダイゼーションさせる。(4e)混合溶液にアビジン・ダイナビーズを加え、それを用いてドライバーDNAとターゲットDNAとがハイブリダイズして形成した二本鎖DNAを除去する。すなわち、ドライバーDNAに付着しているビオチンは、アビジンと複合体を形成する。したがって、ドライバーDNAとハイブリダイズしたターゲットDNAは、ダイナビーズに捕獲される。ダイナビーズは遠心分離によって容易に除去できるから、ダイナビーズとともにドライバーDNAとターゲットDNAとがハイブリダイズして形成した二本鎖DNAも容易に除去できる。また、このときに、ドライバーDNA同士が形成した二本鎖DNA、および一本鎖ドライバーDNAも除去される。(4f)ターゲットDNAの代わりに、(4e)で得られる上清を用いて、(4d)および(4e)の操作を1または複数回行うという方法が挙げられる。
上述のような本発明に係る遺伝子濃縮方法を用いれば、処理前における微量遺伝子の多量遺伝子に対する存在比が、処理後に増加していることを特徴とするDNA試料が得られる。かかるDNA試料から微量遺伝子を取得することができる。取得に際しては、例えば、モレキュラー・クローニング第2版(Molecular Cloning, 2nd ed.)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory)(1989)に記載されている方法など自体公知の方法を用いてよい。また、市販のキットを用いることもできる。この際、付加したアダプター・リンカーの配列を用いれば、自体公知の方法で、容易にクローニングをすることができる。取得した微量遺伝子は、そのまま塩基配列を解読することもできるし、例えば適当なベクターに組み込んでサブクローニングしてから塩基配列の解読を行うこともできる。塩基配列の解読は、Maxam-Gibert法やSangar法を原理とした自体公知の方法を用いて行われてもよく、また市販のDNAシークエンサーを使用してもよい。
本発明は、上記DNA試料中の微量遺伝子の濃縮キットも提供する。具体的には、DNAを切断するための手段、標識物質または担体、DNAを標識するための試薬またはDNAを担体に固定化するための試薬、ハイブリダイゼーションのための試薬、およびドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを除去する手段を有するキットが好ましい。ここで、標識物質または担体は、ドライバーDNAとターゲットDNAとがハイブリダイズして形成した二本鎖DNAを容易に除去すべく、ドライバーDNAを標識し、またはドライバーDNAを固定するために用いる。また、「DNAを標識するための試薬」は、ドライバーDNAを標識するために用いる試薬であり、「DNAを担体に固定化するための試薬」は、ドライバーDNAを固定するために用いる試薬である。具体的には、上記微量遺伝子の濃縮方法に記載したものを好適に用いることができる。また、キットの構成または形態等に関しては、自体公知の技術を用いてよい。
本発明は、DNA試料中の微量遺伝子の濃縮装置も提供する。より具体的には、(a)ターゲットDNAと標識されたドライバーDNAの混合溶液中のDNAを一本鎖にする手段と、(b)ハイブリダイゼーションを行う手段と、(c)ドライバーDNAの標識によって、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを除去する手段と、(d)ターゲットDNAの代わりに、(c)で得られる2本鎖DNAが除去されたDNA溶液を用いて、(b)と(c)の手段を繰り返す手段とを含むことを特徴とする微量遺伝子濃縮装置が挙げられる。各々の手段については、上記微量遺伝子の濃縮方法に関する記載と同様である。また、それぞれの手段の組み合わせは、自体公知の方法に従ってよい。さらに、(a)ドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるように、ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいてDNAを切断する手段、(b)ドライバーDNAを標識する手段、または(c)ターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着する手段などがさらに組み合わされていてもよい。
本発明は、DNA試料中の微量遺伝子の濃縮装置の他の態様としては、(a)一本鎖にしたドライバーDNAを担体に固定する手段と、(b)一本鎖ドライバーDNAが固定化された担体を、一本鎖にしたターゲットDNAの溶液に接触または混合し、ハイブリダイゼーションを行う手段と、(c)担体と溶液を分離することによってドライバーDNAと二本鎖を形成したターゲットDNAを除去する手段と、(d)ターゲットDNAの溶液の代わりに、(c)で得られるターゲットDNAの溶液を用いて、(b)と(c)の手段を繰り返す手段とを含むことを特徴とする微量遺伝子濃縮装置が挙げられる。各々の手段については、上記微量遺伝子の濃縮方法に関する記載と同様である。また、それぞれの手段の組み合わせは、自体公知の方法に従ってよい。さらに、(a)ドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるように、ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいてDNAを切断する手段、(b)ターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着する手段、または(c)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを一本鎖にする手段などがさらに組み合わされていてもよい。
実施例
以下に、実施例を記述して本願発明を具体的に詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例1
大腸菌B株のDNAはSigma Co. USAから、ヒトゲノムDNAはCLONTECH Laboratories Inc., USAから購入した。枯草菌Bacillus pumilusのDNAは菌体より、Genとるくん(商品名 宝酒造株式会社製)を用いて調製した。
なお、本実施例において以下のような制限酵素、緩衝液、試薬などを用いた。また、各制限酵素や試薬などの使用に際しては、製品の取り扱い説明書にしたがった。
(a)Msp I(宝酒造株式会社製):10単位/μl〔溶媒 10mM KPO4, 200mM NaCl, 1mM EDTA, 1mM Dithiothreitol (DTT), 0.02% ウシ血清アルブミン(以下、BSAという), 50%グリセロール(glycerol) (pH7.5)〕
(b)Sse 8387I(宝酒造株式会社製):10mM Tris-HCl(pH7.5), 10mM MgCl2, 1mM DTT, 50mM NaCl, 100μg/ml BSA
(c)TE:10mM Tris-HCl, pH 7.5
(d)10 x M:100mM Tris-HCl, pH7.5, 100mM MgCl2, 10mM DTT, 500mM NaCl
(e)10 x Mirus Labeling Buffer A(Mirus社):200mM MOPS, pH 7.5
(f)20 x SSC:3M NaCl, 0.3M Na3-citrate
(g)ホルムアミド:AG501-x8, 20-50 mesh, fully regenerated(BioRad Lab. USA)を1/10量(重量/容量)加え一晩回転混合させたものの上清を用いた。
(h)W x B:5mM Tris-HCl, 0.5mM EDTA, 1 M NaCl
(i)ダイナビーズ(Dynabeads M-280 Streptavidin, Japan Dynal K.K.):ダイナビーズの懸濁液1 mlをDynal MPCを用いてダイナビーズと液相とに分離、再びダイナビーズをtRNA(20 μg/ml)含有W x Bに懸濁、Dynal MPCでビーズと液相を分離する。これをもう一度繰り返して、最後にダイナビーズをtRNA(20 μg/ml)含有W x Bに懸濁し、必要量の懸濁液を試験管に分注した。
〔操作1 DNA混合液の作製〕
80μgの大腸菌DNAと8 ngの枯草菌DNAを440 μlのTEに溶解して、A液とした。
80μgのヒトDNA、80ngの大腸菌DNA、0.8ngの枯草菌DNAを700μlのTEに溶解してB液とした。
〔操作2 ドライバーDNAの調製(DNAの断片化とビオチン化)〕
75μgの大腸菌DNAと7.5ngの枯草菌DNAを含むA液に、120μlの10 x B、600単位のMsp I、水を加えて1.2mlにして37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でMsp Iを失活させた。反応液を3等分し、DNA断片をエタノール沈殿させ、遠心分離機にかけ回収した(以下、これをE/BミックスDNA断片と呼ぶ)。
75μgのヒトDNA、75ngの大腸菌DNA、0.75ngの枯草菌DNAを含むB液に、120μlの10 x B、600単位のMsp I、水を加えて1.2mlにして37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でMsp Iを失活させた。反応液を3等分し、DNA断片をエタノール沈殿させ、遠心分離機にかけ回収した(以下、これをH/E/BミックスDNA断片と呼ぶ)。
各試験管中の沈殿(それぞれ1/3当量のミックスDNA断片を含む)を、200μlの水+25μlの10 x Mirus Labeling Buffer Aに溶かし、25μlのMirus Label IT試薬を加えて37℃、2時間反応させ、DNAをビオチンで標識した。25μlの5M NaCl、550μlのエタノールを加え−20℃で保存した(以下、ビオチン化されたE/BミックスDNA断片をE/BドライバーDNA、ビオチン化されたH/E/BミックスDNA断片をH/E/BドライバーDNAという)。
〔操作3 ターゲットDNAの調製(DNAの断片化)〕
2.5μgの大腸菌DNA、0.25ngの枯草菌DNAを含むA液に、10μlの10 x M、10μlの0.1% BSA、20.4単位のSse 8387Iと水を加え100μlとして、37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でSse 8387Iを失活させた。20μgのtRNA、10 μlの3M酢酸ナトリウム、220μlのエタノールを加えて−20℃で保存した(以下、この断片化DNAをE/BターゲットDNAと呼ぶ)。
2.5μgのヒトDNA、2.5ngの大腸菌DNA、0.025ngの枯草菌DNAを含むB液に、10μlの10 x M、10μlの0.1% BSA、20.4単位のSse 8387Iと水を加え100μlとして、37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でSse 8387Iを失活させた。20μgのtRNA、10μlの3M酢酸ナトリウム、220μlのエタノールを加えて−20℃で保存した(以下、この断片化DNAをH/E/BターゲットDNAと呼ぶ)。
〔操作4 ハイブリダイゼーション〕
E/BターゲットDNAのエタノール沈殿を含む試験管を15,000 rpm x 20分間の遠心にかけ、上清を捨てた。同じ試験管に E/BドライバーDNAのエタノール沈殿の懸濁液400μlを加え、15,000 rpm x 20分間の遠心にかけた。上清を捨て、さらに425μlのE/BドライバーDNAのエタノール沈殿の懸濁液を加えて遠心し、上清を捨てた。最後の沈殿を室温で9.28μlの水+0.96μlの3N NaOHに溶かし、氷上で急冷し、0.96 μlの3N HCl+50mM Tris-HCl, pH7.2を加え、次いで8μlの20 x SSC、20.8μlのホルムアミドを加えて良く混合した。1滴のミネラルオイルを滴下し、蓋で密閉して、37℃で保温してハイブリダイゼーション反応を進行させた。
H/E/BのターゲットDNAおよびH/E/BのドライバーDNAも、同様に処理してハイブリダイゼーション反応を進行させた。
はハイブリッド・非ハイブリッド操作をN回行ったDNA溶液を示す。
24時間後、ハイブリダイゼーション反応液の20μlを取り出し、1ml当量のダイナビーズ懸濁液を入れた試験管に加えた。残り(10と20)はそのまま保温を継続した。当該試験管を43 ℃の保温槽で保温しながら50分間、頻繁に混和した。Dynal MPCに掛け、数分放置して液相を二等分してそれぞれ1mlの−20℃に冷やしたエタノールを入れた二本の試験管に加え、−80℃冷凍庫に35分間静置後、15,000 rpm x 20分間の遠心で沈殿を得た。一方の試験管(A)の沈殿を80 μ l の水 +10 μ l 3N NaOHに溶解して、その全量をもう一方の試験管(B)に移して沈殿を溶解した。一方、1/3当量のドライバーDNAを同条件にて遠心し沈殿を分離し、80 μ l の水 +10 μ l 3N NaOHに溶解、その45μlで試験管(A)を洗浄し、その全量を(B)に洗い入れた。(B)に15μlの3N HCl+50mM Tris pH7.2を加えてから300 μlの−20℃のエタノールを加え混和して、−80℃の冷凍庫に30分以上静置した。遠心によって得た沈殿に4.64 μ l の水 +0.48 μ l 3N NaOHを加え室温で十分に溶かし、氷上で急冷してから 順次0.48μlの3N HCl+50mM Tris-HCl, pH7.2、4μlの20 x SSC、10.4μlのホルムアミドを加え、1滴のミネラルオイルを重層して、37℃に保温した。
20時間後、40 μlのtRNA(20μg/ml)含有W x Bを加え混和した後、ミネラルオイルを出来るだけ除き、TEで飽和したクロロホルムを加えて常法にしたがって、クロロホルム抽出を行った。水相をtRNA(20μg/ml)含有W x Bで1mlとし、1ml当量の洗浄ダイナビーズを入れた試験管に加えた。43℃で50分間保温、その間1,2分おきに混和した。Dynal MPCに掛け、数分間放置後、液相を二分しそれぞれを1mlの−20℃に冷やしたエタノールを入れた試験管に加え、−80℃冷凍庫に35分間以上静置後、15,000 rpm x 20分間の遠心で沈殿を得た。沈殿を室温でそれぞれ50μlの水+5μlの3N NaOHに溶解して、1本分のドライバーDNAの沈殿に加え、10 μlの3N HCl+50 mM Tris pH7.2を加えてから220μlの−20℃のエタノールを加えて−80℃の冷凍庫に50分間以上静置した。遠心して得た沈殿に、4.64 μ l の水 +0.48 μ l 3N NaOHを加え室温で十分に溶かし、氷上で急冷してから順次0.48μlの3N HCl+50mM Tris-HCl, pH7.2、4μlの20 x SSC 、10.4μlのホルムアミドを加え、1滴のミネラルオイルを重層して、37℃に保温した。
213時間50分後に10μlを取り、40μlのtRNA(50 μg/ml)含有W x Bを添加後、上記の様にミネラルオイルを除き、500μl当量の洗浄ダイナビーズを入れた試験管に移して、回転器に取り付け室温で一晩回転混合させた。Dynal MPCに掛け液相を分離して、0.05 ml当量の洗浄ダイナビーズで処理して最終液相を得、これよりエタノール沈殿によりDNAを回収した(30)。
一方、(10と20)より119時間5分後に10 μlを取り出した。残りは保温を継続した。取り出した10μlは0.5 ml当量の洗浄ダイナビーズで処理し、上述と同様に1/6当量のドライバーDNAと共に、エタノール沈殿物として回収した。沈殿に9.28μ l の水 +0.96 μ l 3N NaOHを加え室温で十分に溶かし、氷上で急冷してから 順次0.96μlの3N HCl+50mM Tris-HCl, pH7.2、 8μlの20 x SSC 、20.8 μlのホルムアミドを加え、1滴のミネラルオイルを重層して、37℃に87時間10分保温した。脱ミネラルオイル後、1ml当量の洗浄ダイナビーズ処理で得た液相を、さらに0.1 ml当量の洗浄ダイナビーズで処理して最終液相を得、これよりエタノール沈殿により核酸を回収した(20)。
保温を継続した残りを総計289時間20分37℃保温後、同様にして0.5 ml、次いで0.05 mlの洗浄ダイナビーズで処理して最終液相を得、これよりエタノール沈殿により核酸を回収した(10)。
最後に、全ての回収された核酸の沈殿に0.5μlのエタチンメートと20μlの0.3N NaOHを加え37℃、1.5時間処理する事によって余分なtRNAを分解除去し、20μlの0.3N HCl+5mM Tris-HCl, pH7.2を加えた後、エタノール沈殿でDNAを回収、TEに溶解した。
以上の実験の流れを表示した(図3)。また、各画分の保温時間と、それから計算されたCotを下記表にまとめた。
第1表

Figure 0004304318
〔試験例1 各核酸画分中の遺伝子の検索〕
沈殿をTEに溶解し、その溶液の一部を加えて25μl PCR反応液(2.5μl 10 x PCR Buffer、2μl dNTP、0.25μl rTaq、1μlプライマーセット、テンプレートDNA、H2Oを加えて25μlとする)を調製し、ミネラルオイルを一滴加えて密閉し、94℃1分間、60℃1分間、72℃2分間のPCRを35サイクル行い、72℃で8分間静置し、23℃まで降温した。プライマーセットはそれぞれ0.5μlの、EfとEr(大腸菌遺伝子用)、BfとBr(枯草菌遺伝子用)、HfとHr(ヒト遺伝子用)を混ぜたものを用いた。
以下のそれぞれのオリゴヌクレオチドをTEに溶解して100 μM溶液をつくり、上記プライマーとして用いた。
(a)大腸菌:ompA ecompa.gb_bal, 1−2271 CDS 172−669の以下の部分をプライマーとした。
Ef 1102-1119: 5' TCCGAAAGATAACACCTG 3'(配列番号1)
Er 1892-1908: 5' GGGATACCTTTGGAGAT 3'(配列番号2)
PCRによる増幅産物は807塩基対となる。
(b)枯草菌:xynA bpxyna.gb_bal, 1−1070 CDS 61−747の以下の部分をプライマーとする。
Bf 243-260: 5' ATTTAGTGCAGGCTGGAA 3'(配列番号3)
Br 650-672: 5' CGTTTCATACATTTTCCCCATTG 3'(配列番号4)
PCRによる増幅産物は430塩基対となる。
(c)ヒト:IL5h j03478.gb_pr2, 1−3230の以下の部分をプライマーとした。
Hf 1600-1629: 5' ACTTTTTGAAAATTTTATCTTAATATGTGG 3'(配列番号5)
Hr 1981-2007: 5' TGGCCGTCAATGTATTTCTTTATTAAG 3'(配列番号6)
PCRによる増幅産物は408塩基対となる。
その他溶液としては、以下のものを用いた。
(i)10 x PCR Buffer: 100mM Tris-HCl, pH8.3 +500mM KCl + 15mM MgCl2
(ii)dNTP mix: dATP + dGTP + dCTP + dTTP 各2.5mM
(iii)Taq: 5 units/ μl (溶媒:20mM Tris-HCl + 100mM KCl + 0.1mM EDTA + 1mM DTT + 0.5% Tween 20 + 0.5% Nonidet P-40 + 50% グリセロール(Glycerol))
(iv)DNAテンプレート
〔結果1〕
図4Aに見るようにE/B DNA混合液の大腸菌遺伝子と枯草菌遺伝子のPCR産物のバンドはそれぞれのDNAの量をよく反映していた。これをハイブリダイゼーションに1回(10)かけると、大腸菌遺伝子と枯草菌遺伝子がほぼ同量になった。さらに2回(20)、3回(30)かけると、大腸菌遺伝子<<枯草菌遺伝子となった(図5A)。即ち、大部分を占めていた大腸菌DNAが優先的に除去された。これは相対的濃縮度は10,000倍を遥かに越えるものである事を示していた。
図4Bに見るようにH/E/B DNA混合液のヒト遺伝子、大腸菌遺伝子、枯草菌遺伝子のPCR産物のバンドはそれぞれのDNAの量をよく反映していた。枯草菌の遺伝子はDNA混合物の中で非常に少量しか存在しないので、枯草菌DNAのみが極微量存在する場合と比較して、非特異的なバンドが多く、特異的な430塩基対のバンドは僅かに観察された。これをハイブリダイゼーションに3回(30)かけると、ヒト遺伝子と比較して、大腸菌遺伝子が顕著に濃縮されることがわかった(図5B)。コントロールPCR(図4B)との比較により、ヒト遺伝子は数10分の1、大腸菌遺伝子は5〜10倍であるから、おおよそ数100倍濃縮されたと算定された。枯草菌遺伝子も非特異的なバンドが消え、特異的なバンドがはっきりと同定出来るようになり、莢雑DNAに比して大幅な濃縮が達成されたことが分かる。この時、大腸菌遺伝子と比較しては、特に濃縮が顕著でないことは、最初過剰に存在していたヒトDNAが特異的に除去された事を支持するものと解釈できる。
実施例2
稀少微生物として、好熱好酸性細菌であるSulfolobus shibataeを選び、S. shibataeのDNAと大腸菌のDNAを混合して、実施例1と同様の実験を行い、大腸菌DNAが選択的に除去されることにより、大腸菌DNAに対して千分の1しか存在しないS. shibataeのDNAが相対的に濃縮されることを確認した。S. shibataeのDNAは菌体より、Genとるくん(商品名 宝酒造株式会社製)を用いて調製した。
なお、実施例2においては実施例1と同様の制限酵素、緩衝液、試薬などを用いたが、実施例1に記載していないものとして以下のようなものを用いた。
(a) 10 x Mirus Labeling Buffer A (Mirus社) : 200mM MOPS, pH7.5
(b) グリコーゲン : 20mg/ml
(c) MAGNOTEX−SA(宝酒造株式会社) :ハイブリダイズしたDNAはMAGNOTEX−SAキットを用い、本キットのマニュアルに記載の方法で除去した。 すなわち、MAGNOTEX−SA 50μl(1mg)を1.5mlチューブに入れ、チューブを磁気スタンドで1分間静置後、上清を除去した。ビオチン標識DNA溶液と等量の本キットに添付の2 x Binding Bufferを混合し、チューブに加えて混和後、室温で10分間静置した。チューブを磁気スタンドに1分間静置後、上清を回収した。さらに1 x Binding Buffer 200μlをMAGNOTEX−SAに添加し洗浄し、洗浄をもう1回繰り返した。混和後、チューブを磁気スタンドに1分間静置後、上清を回収した。
〔操作1 DNA混合液の作製〕
80μgの大腸菌DNAと80ngのS.shibatae DNAを440μlのTEに溶解して、A液とした。
〔操作2 ドライバーDNAの調製(DNAの断片化とビオチン化)〕
75μgの大腸菌DNAと75ngのS.shibatae DNAを含むA液に、120μlの10 x B、 600単位のMsp Iと水を加えて1.2mlにして37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でMspIを失活させた。反応液を3等分し、DNA断片をエタノール沈殿させ、遠心分離機にかけ回収した(以下、これをE/SミックスDNA断片と呼ぶ)。
各試験管中の沈殿(それぞれ1/3等量のE/SミックスDNA断片を含む)を、200μlの水+25μlの10 x Mirus Labeling BufferAに溶かし、25μlのMirus Label IT試薬を加えて37℃、2時間反応させ、DNAをビオチンで標識した。25μlの5M NaCl、550μlのエタノールを加え−20℃で保存した。
〔操作3 ターゲットDNAの調製(DNAの部分分解)〕
2.5μgのS.shibatae DNAを含むA液に、10μlの10 x M、10μlの0.1% BSA、20.4単位のSse 8387Iと水を加え100μlとして、37℃で2時間保温してDNAを切断し、次いで60℃、15分間の処理でSse 8387Iを失活させた。10μgのNaOAc、220μlのエタノール、1μlのグリコーゲンを加えて−20℃で保存した(以下、これをE/SターゲットDNA断片と呼ぶ)。
〔操作4 ハイブリダイゼーション〕
E/SターゲットDNAのエタノール沈殿を含む試験管を15000rpm x 20分間の遠心にかけ、上清を捨てた。同じ試験管にE/SドライバーDNAのエタノール沈殿の懸濁液400μlを加え、15000rpm x 20分間の遠心にかけた。上清を捨て、さらに425μlのE/SドライバーDNAのエタノール沈殿の懸濁液を加えて遠心し、上清を捨てた。最後の沈殿を室温で9.28μlの水+0.96μlの3N NaOHに溶かし、氷上で急冷し、0.96μlの3N HCl+50mM Tris-HCl, pH 7.2を加え、次いで8μlの20 x SSC、20.8μlのホルムアミドを加えて良く混合し、これを00とした。1滴のミネラルオイルを滴下し、蓋で密閉して、37℃で保温してハイブリダイゼーション反応を進行させた。24時間後、ハイブリダイゼーション反応液の10μlを取り出し、1mgのMAGNOTEX−SAによりビオチン標識DNAの除去を行った。回収した上清に20μlのNaOAc、500μlの−20℃のエタノール、1μlのグリコーゲンを加え、15000rpm x 15分間の遠心で沈殿を得て、これを10とした。
また、残りのハイブリダイゼーション反応液の10μl(20)、20μl(30)それぞれについてもMAGNOTEX−SAによりビオチン標識DNAの除去を行った。回収した上清に20μlのNaOAc、500μlの−20℃のエタノール、1μlのグリコーゲンを加え、15000rpm x 15分間の遠心で沈殿を得た(20沈殿:A、30沈殿:B)。一方、1/3当量(20)および1本分(30)のドライバーDNAを同条件にて遠心し沈殿を分離し、80 μlの水 +10 μlの 3N NaOHに溶解した後、その全量でA、Bそれぞれを溶解した。15μlの3N HCl+50mM Tris-HCl pH 7.2を加えてから300μlの−20℃のエタノールを加え混合して、−80℃の冷蔵庫に30分間以上静置した。遠心によって得た沈殿に4.64 μlの水+0.48μl 3N NaOHを加え室温で十分に溶かし、氷上で急冷してから順次0.48μlの3N HCl+50mM Tris-HCl pH 7.2、4μlの20 x SSC、10.4μlのホルムアミドを加え、1滴のミネラルオイルを重層して、37℃に保温した。24時間後、Aの試験管からハイブリダイゼーション反応液の10μlを取り出し、先と同様の手順によりターゲットDNAの回収を行い、20とした。
Bについても同様の手順でビオチン標識DNAの除去、上清の回収し、15000rpm x 15分間の遠心で沈殿を得た(30沈殿:C)。1/3当量のドライバーDNAを遠心し沈殿を分離し、50 μlの水 +10 μl 3N NaOHに溶解した後、その全量でCを溶解した。10μlの3N HCl+50mM Tris pH 7.2を加えてから300μlの−20℃のエタノールを加え混合して、−80℃の冷蔵庫に50分間以上静置した。遠心によって得た沈殿に4.64 μlの水 +0.48 μl 3N NaOHを加え室温で十分に溶かし、氷上で急冷してから順次0.48μlの3N HCl+50mM Tris-HCl pH 7.2、4μlの20 x SSC、10.4μlのホルムアミドを加え、1滴のミネラルオイルを重層して、37℃に保温した。24時間後、Cの試験管からハイブリダイゼーション反応液10μlを取り出し、同様の手順によりターゲットDNAの回収を行い、30とした。最後に、すべての回収されたDNAの沈殿を50μlの1 x TEに溶解した。
〔試験例1 DNA画分中の遺伝子の検索〕
25μlの PCR反応液(2.5μl 10 x PCR Buffer,2μl dNTP,0.25μl rTaq,1μlプライマーセット,3μlテンプレートDNA,H2Oを加えて25μlとする)を調製し、Thermal cycler(宝酒造株式会社)により、94℃1分間、60℃1分間、72℃2分間のPCRを35サイクル行い、72℃で8分間静置し、4℃まで降温した。プライマーセットはそれぞれ0.5μlの、EfとEr(E.coli遺伝子用)、SfとSr(S.shibatae遺伝子用)を用いた。
以下のそれぞれのオリゴヌクレオチドをTEに溶解して100μM溶液をつくり、上記プライマーとして用いた。
(a)大腸菌 :ompA 遺伝子(ecompa.gb_bal)の以下の部分をプライマーとした。
Ef2 5’-TCCGAAAGATAACACCTG-3’(配列番号7)
Er2 5’-GGGATACCTTTGGAGAT-3’(配列番号8)
PCRによる増幅産物は807塩基対となる。
(b)S.shibatae :エステラーゼ遺伝子(EstI)の以下の部分をプライマーとした。
Sf 5’-ATGCCCCTAGATCCTCGAATC-3’(配列番号9)
Sr 5’-TCAACTTTTATCATAAAATGTACG-3’(配列番号10)
PCRによる増幅産物は918塩基対となる。
その他溶液としては、以下のものを用いた。
(i)10 x PCR Buffer: 100mM Tris-HCl,pH8.3 + 500mM KCl + 15mM MgCl2
(ii)dNTPmix: dATP + dGTP + dCTP + dTTP 各2.5mM
(iii)Taq: 5 units/μl(溶媒:20mM Tris-HCl + 100mM KCl + 0.1mM EDTA + 1mM DTT + 0.5%Tween20 + 0.5%Nonidet P-40 + 50%グリセロール)
(iv)DNAテンプレート
〔試験例2 リアルタイムPCR法による定量〕
DNA混合液中の各遺伝子の存在比を解析するため,リアルタイムPCR法により,サイクル毎の増幅の様子を解析した。上記のPCR法では各遺伝子の存在比を解析することは不可能であるため、LightCyclerクイックシステム330(ロッシュ・ダイアグノスティックス社製)を用いて大腸菌遺伝子およびS.shibatae遺伝子の存在比を解析した。
PCR反応液組成は、5μl テンプレートDNA、2μl LightCycler−DNAマスターSYBR GreenI、1μl プライマーセット、1.6μl 25mM MgCl2(終濃度3mM)で、水を加えて20μlとした。
以下のそれぞれのオリゴヌクレオチドをTEに溶解して10μM溶液をつくり、上記プライマーとして用いた。
(a)大腸菌 :ompA 遺伝子(ecompa.gb_bal)の以下の部分をプライマーとした。
Ef2 5’-TCCGAAAGATAACACCTG-3’(配列番号7)
Er2 5’-GGGATACCTTTGGAGAT-3’(配列番号8)
PCRによる増幅産物は807塩基対となる。
(b)S.shibatae :エステラーゼ遺伝子(EstI)の以下の部分をプライマーとした。
Sf 5’-ATGCCCCTAGATCCTCGAATC-3’(配列番号9)
Sr 5’-TCAACTTTTATCATAAAATGTACG-3’(配列番号10)
PCRによる増幅産物は918塩基対となる。
〔結果2〕
図7に示すように、大腸菌遺伝子のバンドは濃縮するに従ってしだいに減少しており、30においては完全に除去されていることが分かる。一方、S.shibatae遺伝子は一連の行程を通じてほぼ同量であることが確認できる(なお、低分子側のバンドはプライマーがダイマーになったものと考えられる)。全体的に非特異的バンドが多いのはターゲットDNAをSau3A1で部分消化したためと考えられる。
E.coli DNAの増幅曲線はターゲットDNAが18.2サイクル、10DNAが20.74サイクル、20DNAが23.31サイクル、30DNAが23.80サイクルにおいて指数関数増殖期に入っており、このことからコピー数はターゲットDNAがもっとも多く、10、20、30の順に減少しており、大部分を占めていたE.coli DNAが優先的に除去されたことが分かる。
一方、S.shibatae DNAの増幅曲線はターゲットDNA、10DNAが19.22サイクル、20DNAが20.58サイクル、30DNAともに20.65サイクルとなっており,10→20において減少がみられるものの、大腸菌の減少率と比較すると、一連の濃縮過程を経た後でも存在比はほとんど変化していないといえる。また、2回のハイブリダイゼーションによって、E.coli DNAとS.shibatae DNAはほぼ同量になり、さらに3回のハイブリダイゼーションによって、E.coli DNA<<S.shibatae DNAとなった。以上の結果から、リアルタイムPCR法を用いてDNA混合液中の各遺伝子の存在比を解析することによって、図7の電気泳動の結果に示されているE.coli DNAが選択的に除去されることが、定量的に確認された。
産業上の利用可能性
本発明に係る微量遺伝子の濃縮方法、微量遺伝子の濃縮用キットまたは微量遺伝子濃縮装置を用いれば、DNA試料中の微量遺伝子を多量遺伝子よりも多量となるまで濃縮することができる。しかも、DNA試料中の除去すべき多量遺伝子が既知である必要もない。したがって、例えば土壌、湖水または河水などの自然界の標品から抽出したDNA等を試料として用いることができるという利点がある。
このように微量遺伝子を濃縮することにより、その遺伝子をクローニングをする為にスクリーニングするべき遺伝子ライブラリーの総クローン数を大幅に減少させることができる。その結果、人的労力、費用および時間の大幅な削減を可能とする。したがって、化学工業的に重要な酵素の遺伝子または医薬・農薬のリード化合物、抗生物質の合成遺伝子群などの有用遺伝子を従来の方法よりも容易かつ迅速に取得できるようになる。そのほかにも、本発明に係る微量遺伝子の濃縮方法などを用いて細胞表面抗原の遺伝子を取得して、その遺伝子ないし遺伝子情報を用いて抗体を作製して、その抗原を持つ細胞ないし微生物を同定し、また例えばFACSのようなセルソーターを用いて該細胞ないし微生物を単離することもできる。さらに、この単離した細胞ないし微生物の全ゲノムの塩基配列を解析する事により新たに有用な遺伝子を取得できる。また、ヒトを含む動植物に寄生または感染している微生物の遺伝子を本発明に係る方法または装置などで濃縮することにより、寄生・感染微生物の同定を可能とし、さらに、その遺伝子の機能を明らかにして利用することを可能とするなどの多種多様な応用が可能である。
【配列表】
Figure 0004304318
Figure 0004304318
Figure 0004304318

【図面の簡単な説明】
第1図は、ゲノムサイズとCot1/2との関係を示す。より具体的には、種々の二本鎖核酸の再形成を示す。ゲノムサイズは図上部にヌクレオチド対として示した(新生化学実験講座、核酸I 200頁)。
第2図は、仔ウシ胸腺DNAの再形成を示す。△(白抜き三角)は仔ウシ胸腺DNAの濃度が2μg/mlの試料を表し、●は仔ウシ胸腺DNAの濃度が10μg/mlの試料を表し、○は仔ウシ胸腺DNAの濃度が600μg/mlの試料を表し、△(塗りつぶし三角)は仔ウシ胸腺DNAの濃度が8,600μg/mlの試料を表し、+は放射線標識大腸菌DNA43μg/mlを内部標準として8,600μg/mlの仔ウシ胸腺DNAを加えた試料を表す(新生化学実験講座、核酸I 199頁)。
第3図は、実施例の操作の流れを表す。
第4図(A)は、E/BターゲットDNA Sse8387I処理画分4μlをPCRによりそれぞれの遺伝子を増幅し、10μlを常法により、100ボルト、40分間、3%アガロースゲル電気泳動にかけ、エチジュームブロマイドで染色したときの電気泳動ゲルを示す。レーン1:大腸菌遺伝子、レーン2:枯草菌遺伝子、レーン3:酵母遺伝子(参考)、レーン4:サイズマーカーDNA(下より100、200、300、400、500、600、700、800、900、1,000、1,200、1,500塩基対。以下同じ。)
第4図(B)は、H/E/BターゲットDNA Sse8387I処理画分4μlをPCRによりそれぞれの遺伝子を増幅し、10μlを常法により、100ボルト、40分間、3%アガロースゲル電気泳動にかけ、エチジュームブロマイドで染色したときの電気泳動ゲルを示す。レーン1:サイズマーカーDNA、レーン2:ヒト遺伝子、レーン3:大腸菌遺伝子、レーン4:枯草菌遺伝子
第5図(A)は、アルカリ処理しエタノール沈殿させた核酸を18μl水+1μl TEに溶解、10xPCR Buffer、Bx10、dNTP、rTaq、プライマーセットを加えて25μlの反応液とし、PCRを行い、反応液の一部を常法により、100ボルト、40分間、3%アガロースゲル電気泳動にかけ、エチジュームブロマイドで染色したときの電気泳動ゲルを示す。レーン1,2,4,5,7,8は3μL、レーン3,6は9μLの反応液の一部を用いた。レーン1:1大腸菌遺伝子、レーン2:1枯草菌遺伝子、レーン3:2大腸菌遺伝子、レーン4:2大腸菌遺伝子、レーン5:2枯草菌遺伝子、レーン6:3大腸菌遺伝子、レーン7:3大腸菌遺伝子、レーン8:3枯草菌遺伝子、レーン9:サイズマーカーDNA
第5図(B)は、アルカリ処理しエタノール沈殿させた核酸を18μl水+1μl TEに溶解、10xPCR Buffer、Bx10、dNTP、rTaq、プライマーセットを加えて25μlの反応液とし、PCRを行い、当量の反応液の一部を常法により、100ボルト、40分間、3%アガロースゲル電気泳動にかけ、エチジュームブロマイドで染色したときの電気泳動ゲルを示す。レーン1:サイズマーカーDNA、レーン2:3ヒト遺伝子、レーン3:3大腸菌遺伝子、レーン4:3枯草菌遺伝子
第6図 本発明に係る微量遺伝子濃縮方法の一態様における操作の流れを示す。なお、点線は、多量遺伝子の除去状態を検出する場合の操作の流れを示す。
第7図は、実施例2の試験例1の結果を示す。ターゲットDNA(0)、1、2、3をPCRによりそれぞれの遺伝子を増幅した。8μlを、100V、30分間、0.8%アガロース(株式会社ニッポンジーン製)で電気泳動にかけ、エチジウムブロマイド染色した。サイズマーカーにはλ−Hind III digestを用いた。レーン1:サイズマーカーDNA(λ−Hind III)、レーン2:0大腸菌遺伝子、レーン3:0S.shibatae遺伝子、レーン4:1大腸菌遺伝子、レーン5:1S.shibatae遺伝子、レーン6:2大腸菌遺伝子、レーン7:2S.shibatae遺伝子、レーン8:3大腸菌遺伝子、レーン9:3S.shibatae遺伝子、レーン10:大腸菌のテンプレートDNAを含まないPCR反応液、レーン11:S.shibataeのテンプレートDNAを含まないPCR反応液Technical field
The present invention relates to a method for concentrating trace genes derived from rare microorganisms or microorganisms that cannot be cultured in a DNA sample prepared from a mixture of microorganisms, or trace genes that are expressed only in trace amounts in animal and plant cells, and the concentration The present invention relates to a trace gene obtained by the method, a method for analyzing the trace gene, an apparatus for concentrating the trace gene, and a kit for enriching the trace gene.
In this specification, a gene that was initially present in a trace amount in a DNA sample is referred to as a “trace gene”, and a gene that was initially present in a large amount is referred to as a “multiple gene”.
Background art
Although useful substances produced by microorganisms are widely used as industrial enzymes and antibiotics, 95 to 99% of microorganisms existing in nature cannot be cultured, and these microorganisms that cannot be cultured are now It is not used industrially. However, it acquires genes of industrially useful enzymes from microorganisms that cannot be cultured, or acquires biosynthetic genes of useful substances produced by microorganisms such as antibiotics and expresses them in appropriate hosts Then, since useful substances such as new industrial enzymes and antibiotics can be produced in large quantities, their industrial utility is immeasurable.
In order to obtain a useful gene as described above from a microorganism, usually, a microorganism having a useful gene is isolated and cultured, and DNA is extracted from the microorganism to prepare a gene library. In principle, the gene library may be introduced and expressed in an appropriate host, and transformants having activity may be screened and selected by an appropriate method. However, this method requires a great deal of time and effort to obtain useful genes from microorganisms that occupy only a part of the mixed preparation of various microorganisms or microorganisms that cannot be isolated and cultured. Cost. In particular, when the proportion of a microorganism having a useful gene is very small, and the microorganism is a microorganism that cannot be cultured, it is practically impossible to obtain the useful gene from the microorganism. Become. If it is possible to relatively concentrate genes derived from microorganisms that are present in a small amount in microorganism preparations and microorganisms that cannot be cultured in preparations, that is, trace genes or few genes can be relatively concentrated, subsequent screening of useful genes can be performed. Efficient and saves labor, time and money.
On the other hand, the cells that make up the human body are divided into more than 200 types, each cell has a common genome with about 100,000 genes, and expresses tens of thousands of genes depending on the cell type. It is believed that Examining the expression of such genes is becoming more and more important not only for obtaining knowledge about the function of individual genes but also for elucidating life phenomena. Moreover, as a result of detailed analyzes on a small number of relatively limited genes so far, it has been found that many genes work cooperatively in many life phenomena.
Gene expression is roughly divided into three classes based on the expression level. About 10 per cell3-4Abundant class of copy grade, about 102Copy intermediate class, and about 101The Rare class has only a copy level. On the other hand, regarding the types of expressed genes, there are tens of thousands of types per cell in mammals, and most genes belong to the Rare class. That is, the expressed gene in the cell has a high expression level (103-4(Copy) Abundant class genes are present in very few species and expressed in very small amounts (101(Copy) There are numerous types of Rare class genes (for example, Alberts, B., et al. (1989) Molecular biology of the cell, 2nd edition. Garland Publishing Inc.). Under such circumstances, the need for a technique for analyzing a large number of genes, including trace genes, in more detail is expressed, and using these analyzes is also expected to be used for medical purposes such as genetic diagnosis. .
Currently, canonical gene analysis includes canonicalization (Minoru SHKo (1990) Nucleic Acids Res., 18, 5705-5711), differential display (Liang, P., and Pardee, AB (1992) Science 257 , 967-971) or molecular index method (Kikuya Kato (1995) Nucleic Acids Res., 23,3685-3690) etc.) and other methods based on multiplex PCR and methods using DNA chips are known. ing. In the canonicalization method, a small amount of a gene is classified as a large amount of gene by placing a polymer nucleic acid mixture under hybridization conditions and separating the nucleic acid that has become double-stranded and the one that remains in a single strand at an appropriate time. It can be concentrated to the same amount. However, in the canonicalization method, the amount of the trace gene after the treatment cannot be larger than that of the large amount of gene, so the effect of concentration is limited. When analysis using multiplex PCR such as differential display method is performed, competitive PCR reaction occurs, and a strong bias is applied to the abundance of the gene, so the detection sensitivity is lower than normal PCR, and the Rare class gene Is known to be difficult to detect (David J. Bertioli, et al. (1995) Nucleic Acids Res., 23, 4520-4523). As a method for overcoming such problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-37193 discloses a method for removing a large number of known genes present in a nucleic acid sample and concentrating a small amount of genes. Otherwise, this method cannot be used.
On the other hand, as a method for identifying a mutant gene of a certain species, there is a so-called subtraction method and its modified method (Ellen E. Lamar and E. Palmer (1984) Cell, 37, 171-177, Ilse Wieland et al. (1990 Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 2720-2724, Anne Kallioniemi et al. (1992) Science 258, 818-821, Nikolai Lisitsyn et al. (1993) Science 259, 946-951). These are genes that are qualitatively or quantitatively different among the same genes (A and B) in two individuals of the same species, or mRNA in the same type of cells in two different states. A method for concentrating and isolating genes (referred to as A and B) having different abundances in cDNA prepared from the method, wherein the gene is identical to B (A) in A (B) by some method The principle is that a specific gene that exists only in A (B) can be obtained by removing B using the gene of B (A). Therefore, the method inevitably requires two types of DNA samples in which most of the contained genes are the same.
However, there are very many types of microorganisms in natural samples (soil, lake water, river water, etc.), and their microbial composition generally differs depending on the sample, and each has its own composition. . Therefore, when enriching trace genes derived from rare microorganisms in it, it is impossible to prepare two types of DNA samples that are the same in most of the included genes, one to be pulled and one to be pulled. The trace gene cannot be concentrated using the subtraction method. In addition, since a small amount of genes in a cDNA sample are concentrated, most of the contained genes are the same, and it is extremely difficult to prepare two types of cDNA samples: a cDNA sample containing the trace gene and a cDNA sample not containing it. Therefore, it is difficult to concentrate the trace gene by the subtraction method.
  Disclosure of the invention
The present invention provides a method for concentrating trace genes derived from rare or non-culturable microorganisms that are present only in a small amount in a specimen, and among a large number of genes expressed in individual organisms, biological tissues or cells. An object of the present invention is to provide a method capable of concentrating a trace gene even if it is unknown about the gene, and an apparatus and kit for enriching the trace gene.
As a result of extensive research, the inventor found that in the Cot analysis, which has been used for genome size analysis and repetitive sequence analysis, the double-stranded remodeling reaction rate is inversely proportional to the genome size and proportional to the concentration of the same sequence. From this, it was conceived that trace genes and trace genes in a DNA sample containing a large amount of genes could be concentrated, and it was confirmed that trace genes in the mixed solution could be concentrated from a mixed solution of E. coli DNA, Bacillus subtilis DNA and calf thymus DNA. Thus, the present invention has been completed.
That is, the present invention
(1) A DNA sample containing a gene that is present in a trace amount and a gene that is present in a large amount is subjected to the following operation to separate a gene that is present in a trace amount from a gene that is present in a large amount. Gene enrichment method,
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The target DNA and the driver DNA are mixed, and the DNA in the mixed solution is made into a single strand. Alternatively, the target DNA and driver DNA are mixed into a single strand.
(C) Hybridization is performed, and the double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA is removed from the mixed solution.
(D) The operations of (b) and (c) are performed one or more times using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in (c) instead of the target DNA.
(2) A DNA sample containing a gene present in a small amount and a gene present in a large amount is subjected to the following operation to separate a gene present in a small amount from a gene present in a large amount. Gene enrichment method,
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The DNA is cleaved in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction. However, at this time, the molecular weight of the driver DNA is set to be lower than that of the target DNA.
(C) Label the driver DNA. If desired, a linker / adapter is attached to the target DNA.
(D) The target DNA and an excessive amount of labeled driver DNA are mixed, the DNA in the mixed solution is made into a single strand, and then hybridization is performed.
(E) The double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA is removed from the mixed solution by labeling the driver DNA.
(F) The operations of (d) and (e) are performed one or more times using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in (e) instead of the target DNA.
(3) In the above (1) or (2), the ratio d / t between the mixing amount (d) of the driver DNA and the mixing amount (t) of the target DNA is more than 1 and 1000 or less. A method for concentrating the gene present in a trace amount,
(4) The method for concentrating a gene present in a trace amount according to (2) or (3), wherein the driver DNA is labeled with biotin, digoxin, fluorescein or rhodamine,
(5) The driver DNA has an average strand length of 200 to 300 base pairs, and the target DNA has an average strand length of 1000 base pairs or more, and is present in a trace amount as described in (2) to (4) above Gene enrichment method,
(6) The DNA is cleaved by a 4-base recognition restriction enzyme in the driver DNA fraction and by a 5-8 base recognition restriction enzyme in the target DNA fraction, as described in (2) to (5) above A method for concentrating genes present in trace amounts of
(7) The method for concentrating a gene present in a trace amount as described in (6) above, wherein the DNA is cleaved by Msp I in the driver DNA fraction and Sse 8387I in the target DNA fraction,
(8) The method for concentrating a gene present in a trace amount according to (2) to (5), wherein the DNA is cleaved by ultrasonic waves or mechanical shearing force,
(9) A DNA sample containing a gene that is present in a trace amount and a gene that is present in a large amount is subjected to the following operation to separate a gene that is present in a trace amount from a gene that is present in a large amount. Gene enrichment method,
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The DNA is cleaved in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction. However, at this time, the molecular weight of the driver DNA is set to be lower than that of the target DNA. If desired, a linker adapter is attached to the target DNA.
(C) In each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction, the DNA is made into a single strand.
(D) Immobilize single-stranded driver DNA on a carrier.
(E) A carrier on which a single-stranded driver DNA is immobilized is brought into contact with or mixed with a single-stranded target DNA solution to perform hybridization.
(F) By separating the carrier and the solution, the target DNA that forms a double strand with the driver DNA is removed.
(G) The operations of (e) and (f) are performed one or more times using the target DNA solution obtained in (f) instead of the target DNA solution.
(10) A DNA sample is prepared from a DNA sample extracted from a sample in which at least two types of microorganisms, organisms, biological tissues or cells are mixed, or nucleic acids extracted from individual organisms, biological tissues or cells and / or nucleic acids thereof. A method for concentrating a gene present in a trace amount as described in (1) to (9) above,
(11) The abundance ratio of a gene having a large abundance before the treatment of a trace gene having a small abundance before the treatment is increased after the treatment, as described in (1) to (10) above DNA sample obtained by the method.
(12) A step of concentrating a gene present in a trace amount (hereinafter referred to as “trace gene”) by the method described in (1) to (10) above, and a trace gene is obtained from a DNA sample in which the obtained trace gene is concentrated. A method of analyzing a trace gene, characterized by comprising a step of obtaining and analyzing a base sequence of the trace gene;
(13) a gene obtained from a DNA sample in which a small amount of the gene obtained by the method according to (1) to (10) is concentrated,
(14) (a) means for single-strand DNA in a mixed solution of target DNA and labeled driver DNA; (b) means for performing hybridization; and (c) driver DNA by means of labeling of driver DNA. Means for removing the double-stranded DNA formed by the target DNA, and (d) using the DNA solution from which the double-stranded DNA obtained in (c) has been removed, instead of the target DNA, A trace gene concentrator characterized by comprising means for repeating the means of (c),
(15) (a) a means for fixing the single-stranded driver DNA to the carrier; and (b) contacting or mixing the single-stranded driver DNA-immobilized carrier with the single-stranded target DNA solution. And (c) means for removing the target DNA that has formed double strands with the driver DNA by separating the carrier and the solution, and (d) instead of the solution of the target DNA (c And a means for repeating the means of (b) and (c) using the solution of the target DNA obtained in (1),
(16) A means for cleaving DNA, a labeling substance or a carrier, a reagent for labeling DNA or a reagent for immobilizing DNA on a carrier, a hybridization reagent, and a double-stranded DNA of driver DNA and target DNA A kit for concentrating trace genes, characterized by comprising means for removing,
About.
  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described in detail below. First, the Cot analysis that became the theoretical background of the present invention (Koji Sawada et al., New Chemistry Laboratory, Nucleic Acid I, Chapter 10 Nucleic Acid Fractionation by Hybridization, 193-238) Page).
The hybridization reaction of the polymer nucleic acid follows the following secondary reaction formula (1) in which effective collisions between complementary strand molecules are rate-limiting, and the reaction rate is proportional to the square of the concentration [C] of the single-stranded DNA.
d [C] / dt = −k [C]2         (1)
(In the formula, [C] represents the concentration of single-stranded DNA, t represents the reaction time, and k represents the reaction rate constant.)
When a repetitive sequence is included, such as DNA of animal cells, the initial concentration varies depending on the sequence, so that the reaction progress is multiphasic. When one of the complementary strands is in a large excess (20 times or more), it can be handled as a pseudo primary reaction.
The primary structure of nucleic acids can be analyzed based on the kinetic considerations of nucleic acid hybridization reactions in the liquid phase. This is the Cot / Crt analysis. Cot analysis is DNA-DNA hybridization, Crt analysis is DNA-RNA or RNA-RNA hybridization analysis, and the latter is also called Rot analysis. In 1968 Britten and Kohne (R. J. Britten and D. E. Kohne, Science,161, 529) kinetically analyze the double-stranded DNA remodeling reaction of animal cell DNA, (1) analysis of genome size (variety of genomic DNA base sequences), (2) analysis of repeated base sequences First, it was shown that Cot analysis can be used. Cot and Crt analysis is also used as an index for fractionation of nucleic acids.
(1) Cot analysis and genome size
Formula (1) is integrated to obtain the initial concentration [C0]
[C] / [C0] = 1 / (1 + k [C0T) (2)
(Where [C0] Represents the initial concentration of single-stranded DNA. [C], t and k are the same as defined above. )
[C0] [C] / [C on the horizontal axis0] Is plotted on the vertical axis to obtain a Cot curve (FIG. 1).
As the unit of Cot, nucleotide mol · sec / l is used. When the average molecular weight of nucleotide is 314, 1 μg / mL DNA is 3.19 × 10-6Since it becomes nucleotide mol / l,
[C0] T = DNA (μg / ml) × 1.15 × 10-2 × Time (hr) (3)
It becomes. Approximating this,
[C0] T = DNA (A260) × time (hr) / 2 (4)
(In the formula, A260 represents absorbance at 260 nm.)
When there are no repetitive sequences in the DNA molecule, the Cot curve becomes a first order sigmoid curve (FIG. 1).
From (2)
([C0]-[C]) / [C] = k [C0] T (5)
(Where [C0], [C], t and k are the same as defined above. )
[C0] T on the horizontal axis, ([C0]-[C]) / [C] is plotted on the vertical axis to form a straight line. The reciprocal of the gradient is [C0] T1/2It is.
[C0] T1/2= 1 / k (6)
(Where t1/2Represents the time when 50% of the single-stranded DNA becomes double-stranded DNA. [C0] And k are the same as defined above. )
When the DNA concentration is aligned with the nucleotide mol concentration, the double-stranded remodeling reaction rate is inversely proportional to the genome size, and thus [C0] T1/2Is proportional to From this, the genome sizes of various organisms can be calculated (FIG. 1).
(2) Repeat (repeat) sequence
When there are repetitive sequences in the DNA molecule, the Cot curve is a synthesis of a primary sigmoid curve of a unique sequence and a primary sigmoid curve of each repetitive sequence. In the case of calf thymus DNA, the reaction is divided into two stages, about 40% [C0] T1/2The value is 0.03, 60% is [C0] T1/2It is approximated as a composite of primary sigmoid curves with a value of 3000. The latter is a unique sequence, and the former is a highly repetitive sequence with 100,000 copies (FIG. 2). It is possible to separate the unique sequence and the repetitive sequence by stopping the reaction at an appropriate time and separating single-stranded and double-stranded DNA.
Here, for example, DNA extracted from a standard mixture of at least two types of microorganisms such as soil, lake water, river water, organisms, biological tissues, or cells can be considered equivalent to the genome of one higher organism, Defined as metagenome. In the metagenome, a gene derived from a minimal amount of microorganisms or the like can be regarded as a unique sequence, and a gene derived from a microorganism or the like that exists more than that can be regarded as a repeated sequence. The repetitive sequence is classified as a highly repetitive sequence, a moderate repetitive sequence, or a low repetitive sequence according to the number of the repetitive sequences.
In addition, nucleic acids extracted from individual organisms, biological tissues or cells and / or DNA prepared from the nucleic acids have a great diversity in their abundance, as are cDNAs prepared from mRNA, and are classified as unique sequences and repetitive sequences. Is possible.
Based on the above theory of Cot analysis, DNA with a larger copy number is faster to be double-stranded. Therefore, after the DNA sample used in the present invention is made into a single strand under appropriate conditions, the double strand is reformed. Then, if the formed double-stranded DNA is separated and removed by an appropriate method, trace genes are relatively concentrated in the remaining single-stranded DNA sample. However, it should be noted here that enrichment in this case is only relative, and trace genes can never become majority, and at most, at most as much as high-volume genes It is only that amount. As mentioned above, this is the method actually used as a canonical method.
    However, the inventors have conceived that the abundance of a trace gene can be increased after treatment by a method as described below, and completed the present invention.
Specifically, the gene enrichment method according to the present invention comprises concentrating trace genes by separating a trace amount gene from the large amount gene by subjecting a DNA sample containing the trace gene and the large amount gene to the following operation. Features. (A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction. (B) The target DNA and the driver DNA are mixed, and the DNA in the mixed solution is made into a single strand. Alternatively, the target DNA and driver DNA are mixed into a single strand. (C) Hybridization is performed, and the double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA is removed from the mixed solution. (D) The operations of (b) and (c) are performed one or more times using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in (c) instead of the target DNA.
The principle will be described below. Here, a gene having a large amount is referred to as gene A, and a gene having a small amount is referred to as gene B. A unique sequence including the partial sequence of gene A and / or its peripheral sequence in the driver DNA is A, and B is a specific sequence including the partial sequence of gene B and / or its peripheral sequence. A and B have the same sequence in the target DNA fragment. [Xn] Represents the concentration of X when n times of hybrid / non-hybrid separation operations were performed. “= ˜” indicates the same amount or the same amount.
In the first hybridization and the hybrid / non-hybrid separation operation, A is largely removed, and its concentration is [target A1] ([Target A0]> [Target A1]). On the other hand, [Target A0+ Driver A0] >> [Target B0+ Driver B0Therefore, if Cot is appropriate, [Target B1] Has almost no change. At the next hybridization, [Target A1+ Driver A0] = ~ [Driver A0] >> [Target B1+ Driver B0Therefore, the reaction is a pseudo-primary reaction that depends almost exclusively on the concentration of the driver DNA. That is, compared with A, hybridization of B is almost negligible, and after the hybrid / non-hybrid separation operation, target A is further removed [target A2] ([Target A1]> [Target A2]) [Target B2] Has almost no change. By repeating this, [Target An] << [Target Bn] = ~ [Target B0Thus, only the gene B having B remains in the target DNA.
In other words, the microgene concentration method according to the present invention is characterized in that the driver A newly supplied at each hybridization is always highly concentrated in the hybridization system, and therefore the hybridization rate of A is outstanding. It is fast. In the conventional canonicalization method, if the concentrations of A and B are approximately the same, the probability of hybridization of each becomes equal, and therefore one cannot be preferentially concentrated. However, in the present invention, since the concentration of the driver A is always remarkably high, it is possible to concentrate the gene B to a larger amount than the gene A as follows.
(I) When [Target A] >> [Target B] (for the first operation)
In this case, since there is a large amount of driver A in the hybridization system in which target DNA and driver DNA are mixed, the probability that driver A effectively collides with target A and hybridizes is much higher than in the case of B. By selectively removing the double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA, the target A is efficiently removed, while the target B is hardly removed and remains in the system. Therefore, gene A (a large amount gene) and gene B (a trace gene) can be separated and gene B (a trace gene) can be concentrated.
(Ii) [Target A] = ˜ [Target B] (when the operation is repeated)
Concentration was repeated, and [Target An] And [Target B]n] In the new hybridization system in which this solution and the driver DNA are mixed, the concentration of the newly supplied driver A is remarkably high, so that the target A and the driver A are effective. The probability of collision is much higher than the probability that target B and driver B collide effectively. Therefore, the target A hybridized with the driver A is removed, and most of the target B remains in the system. Therefore, the gene B (trace gene) can be concentrated until the amount is higher than that of the gene A (large gene).
    The DNA sample used in the present invention is not particularly limited and may be any sample. For example, a DNA sample extracted from a sample in which at least two or more kinds of microorganisms, organisms, biological tissues or cells are mixed can be mentioned. Therefore, DNA extracted from the sample can be used without separating and culturing the microorganism from a sample having a unique microbial composition obtained in nature such as soil, lake water, river water and the like. The method for concentrating trace genes according to the present invention has an advantage that it can be applied to a sample having such a unique microbial composition.
The DNA sample used in the present invention may be a nucleic acid extracted from an individual organism, a biological tissue or a cell and / or a DNA sample prepared from the nucleic acid. For example, DNA extracted from a mixture of inflamed tissue and normal tissue, a mixture of cancerous cells and normal cells, or a mixture of cells infected with microorganisms, viruses, etc. and non-infected cells And / or cDNA samples prepared from mRNA. Further, it may be a cDNA sample prepared from mRNA in which many types of genes are expressed in cells.
As a DNA extraction method, for example, a method known per se such as an alkaline SDS method, a centrifugal method, or a combination thereof may be used. Commercially available DNA extraction kits can be used as appropriate.
    As one embodiment of the present invention, (1a) a DNA sample is divided into two (one DNA sample is a driver DNA fraction, and the other DNA sample is a target DNA fraction); (1b) target DNA and driver DNA is mixed and the DNA in the mixed solution is made into a single strand, or the target DNA and the driver DNA are made into a single strand and then mixed, and (1c) hybridization is performed, and the driver DNA and the target are mixed. (1d) and (1b) and (1) using the DNA solution from which the double-stranded DNA obtained in (1c) is removed instead of the target DNA. Examples of the method include separating the trace gene from the large amount gene and concentrating the trace gene by performing the operation 1c) one or more times.
In the above operation (1a), the DNA sample may be arbitrarily divided into two. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction. However, when there is only a small amount of DNA sample, it is preferable to divide into two so that the driver DNA fraction is larger in view of the mixing ratio of the target DNA and driver DNA in the operation (1b). Furthermore, when the total amount of DNA is not sufficient, after amplification by PCR in advance, the target DNA fraction and the driver DNA fraction may be separated and the subsequent operations may be performed. Here, when only the driver DNA fraction is amplified by the PCR method, the difference in the degree of amplification depending on the sequence gives a complicated bias to the sequence to be concentrated later.
In the operation (1b), it is preferable to mix an excessive amount of driver DNA with respect to the target DNA. This is because a large amount of genes can be efficiently removed by adding an excessive amount of driver DNA. More specifically, the ratio d / t between the mixing amount (d) of the driver DNA and the mixing amount (t) of the target DNA exceeds 1 and is about 1000 or less, preferably about 10 to 1000, more preferably About 100-1000 is suitable. In particular, the hybridization time can be shortened when the amount of driver DNA mixed is large. However, if the mixing ratio of driver DNA is increased, a larger amount of DNA sample is required. Therefore, in the present invention, when there are not enough DNA samples, the mixing ratio d / t is more than about 1 and preferably about 10, more preferably about 10.
As a method for making DNA into a single strand, a method known per se may be used. For example, it can be made into a single strand by applying heat at about 94 ° C. for about 1 minute or by alkali treatment. However, the conditions described in the examples are preferred. Further, the target DNA and the driver DNA may be mixed and then single-stranded, or the target DNA and driver DNA may be single-stranded before mixing.
In the operation (1c), the target DNA and the driver DNA are hybridized. The hybridization conditions at this time may follow a method known per se, but the conditions described in the Examples are preferred. Here, the hybridization of the target DNA and the driver DNA includes a state where the driver DNA is hybridized to a part of the target DNA, or a state where a plurality of driver DNAs are hybridized to the target DNA.
Subsequently, the double-stranded DNA in which the target DNA and the driver DNA are hybridized is removed. At the same time, double-stranded DNA in which driver DNAs are hybridized and single-stranded driver DNA may also be removed. As a method for removing the double-stranded DNA hybridized with the target DNA and the driver DNA, a method known per se may be used. For example, a batch method using hydroxyapatite or a column chromatography method, CsCl or the like is used. Examples thereof include a specific gravity centrifugation method.
By the above operation (1c), a large amount of genes are removed and a small amount of genes are concentrated. However, in order to sufficiently remove a large amount of genes, using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in step (1d), ie, (1c), instead of the target DNA, (1b) and (1c) The operation is preferably performed, and at least the operation (1d) is more preferably repeated at least once.
    In a preferred embodiment of the present invention, (2a) the DNA sample is divided into two (one DNA sample is the driver DNA fraction and the other DNA sample is the target DNA fraction), and (2b) the molecular weight of the driver DNA is Cleave the DNA in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction so as to have a low molecular weight relative to the target DNA, (2c) label the driver DNA, and optionally attach a linker adapter to the target DNA; (2d) The target DNA and an excessive amount of labeled driver DNA are mixed, the DNA in the mixed solution is made into a single strand, and then hybridization is performed. (2e) The driver DNA is labeled with the driver DNA. Remove double-stranded DNA formed by the target DNA from the mixed solution . At this time, double-stranded DNA formed by driver DNAs and single-stranded driver DNA are also removed. Then, instead of (2f) the target DNA, using the DNA solution from which the double-stranded DNA obtained in (2e) has been removed, the steps (2d) and (2e) are carried out one or more times to obtain a trace gene. There is a method in which a small amount of genes are concentrated by separating from a large amount of genes.
In the operation (2b), as a method for cleaving DNA, a method known per se can be used, and specifically, restriction enzyme treatment, ultrasonic treatment, physical shearing force or the like can be used. When cleaving using a restriction enzyme, it can be cleaved into a DNA fragment of a desired size by using a restriction enzyme with a different number of base pairs to be recognized. For example, when 8-base recognition Not I is used, the expected fragment length is an average of 65,536 base pairs, which is about 60 bacterial genes long. If a shorter one is desired, for example, using Cpo I with 7 base recognition, one base pair is A or T.6X2 = 8,192 base pairs is the expected average length, including 7-8 genes.
In general, if the target DNA is enlarged, a plurality of genes can be obtained. Accordingly, the target DNA preferably has an average chain length of about 1000 base pairs or more. Since a gene related to a certain metabolic system often forms a gene cluster composed of a plurality of such genes, the method according to the present invention is useful for obtaining a cluster gene. At this time, the size of the driver DNA may be the same as that of the target DNA, but a smaller one is preferable because efficiency and specificity of hybridization are increased. Specifically, it may be about 200 to 300 base pairs, which is the size (chain length) of DNA normally used for Cot analysis. If the size (strand length) of the DNA is too long, the composition of the sequence on single-stranded DNA, such as that some parts have similar sequences and some parts are unique, makes the above size preferable.
Thus, in order to make the molecular weight of the driver DNA lower than that of the target DNA, the driver DNA fraction is operated with a 4-base recognition restriction enzyme, and the target DNA fraction is operated with a 5-8 base recognition restriction enzyme. It is preferable to cleave the DNA in (3b). It is more preferable to cleave the DNA with Msp I that recognizes 4 bases in the driver DNA fraction and Sse 8387I that recognizes 8 bases in the target DNA fraction.
The driver DNA is preferably labeled in advance before hybridization (operation (2c)). By labeling, there is an advantage that the double-stranded DNA hybridized with the driver DNA and the target DNA can be efficiently removed. For labeling the driver DNA, any known one can be used as long as it can separate labeled DNA and unlabeled DNA. In addition to avidin used in the examples, for example, digoxin, fluorescein, rhodamine and the like can be used.
The double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA can be removed from the mixed solution (operation (2e)) according to a method known per se according to the label. For example, when biotin is used as a label, double-stranded DNA in which target DNA and driver DNA are hybridized with dynabeads bound with avidin can be removed. Moreover, a method using an anti-labeled antibody can also be mentioned.
In addition, after the target DNA is fragmented, a linker / adapter may be added (operation (2c)). By doing so, amplification by the PCR method and integration into a cloning vector can be facilitated after the concentration operation.
The other operations are the same as the above operations (1a) to (1d).
    As another preferred embodiment of the present invention, (3a) the DNA sample is divided into two (one DNA sample is the driver DNA fraction and the other DNA sample is the target DNA fraction), and (3b) the driver DNA DNA is cut in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction so that the molecular weight is lower than that of the target DNA, and a linker / adapter is attached to the target DNA as desired, and (3c) the driver DNA fraction and In each of the target DNA fractions, the DNA is single-stranded, (3d) the single-stranded driver DNA is fixed to the carrier, and (3e) the single-stranded driver DNA-immobilized carrier is single-stranded. Contact or mix with the solution of the target DNA thus prepared, perform hybridization, and then (3f) carrier (3e) Using the target DNA solution obtained in (3f) instead of the target DNA solution, (3e) And (3f) are performed one or more times to separate a trace gene from a large amount of gene and concentrate the trace gene.
Instead of labeling the driver DNA, the driver DNA is fixed to the carrier in advance before hybridization in order to efficiently remove the double-stranded DNA hybridized with the driver DNA and the target DNA. Is also preferable (operation (3c)). As a method for fixing the driver DNA to the carrier, a method known per se can be used. For example, a method of adsorbing on a nitrocellulose membrane or nylon membrane, a method of physically adsorbing on a glass surface coated with polylysine or a glass surface treated with silane, and the like can be mentioned. Another example is a method of immobilizing the biotin-labeled driver DNA on a carrier on which streptavidin is immobilized.
By fixing the driver DNA to the carrier in this way, by separating the solution of the carrier and the target DNA, double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA from the target DNA solution, that is, a large amount of gene Most can be easily removed (operation (3f)).
Here, in order to remove a large amount of genes with high accuracy, it is also effective to remove while detecting the removal state of the large amount of genes. Therefore, in the present invention, for example, the degree of removal of a large amount of genes is monitored using a removed double-stranded DNA solution or using a recovered single-stranded DNA solution. A method of performing the removing operation (2f) or (3g) may be used. Such a method may be combined with a method known per se, but a specific embodiment is shown in FIG. The process is the same as described above until the hybridized double-stranded DNA is removed. Using the removed double-stranded DNA solution, a large amount of genes therein are detected using a method known per se. As a result, for example, if a large amount of gene is not substantially detected, or if the amount is sufficiently reduced compared to the concentration of the large amount of gene in the double-stranded DNA solution initially removed, Therefore, it is not necessary to repeat the operation (2f) or (3g), and it is possible to move to a trace gene acquisition step. On the other hand, when the opposite result is obtained, the above operation (2f) or (3g) is preferably performed.
    In order to monitor the degree of removal of such abundant genes, the amount of the abundant genes can be estimated using a sequence (common sequence) common to the genomes of biological species present in large quantities as a marker. In order to measure the abundance of the common sequence, a hybridization method using the common sequence as a probe or a PCR method using the common sequence as a primer can be used. As a common sequence, in the case of DNA extracted from a sample in which many kinds of organisms are mixed, a common sequence present in a gene (rDNA) encoding rRNA is desirable. Since the base sequence of rDNA is known for many biological species, it is easy to find the common sequence of rDNA, and the large number of copies of rDNA per genome is suitable as a marker for the common sequence in rRNA. That is why. When the species present in large quantities are limited, for example when limited to prokaryotes, there are more common sequences. Further, when the species is limited, for example when it is limited to actinomycetes, there are many more common sequences. The common sequence need not be limited to rDNA, and may be a common sequence in the genome of a biological species present in a large amount, for example, a common sequence present in a gene encoding a protein that is commonly present in the biological species. . For example, since the cytochrome C gene is present in all living species and the nucleotide sequences are known for many living species, the common sequence present in the cytochrome C gene is suitable as a marker.
When a large amount of genes in a DNA sample are derived from biological solids, biological tissues / cells of the same species, a gene specific to the species can be used as a marker for estimating the amount of the large amount of genes. When the DNA sample is a cDNA derived from a biological solid or biological tissue / cell of the same biological species, a gene with a high expression level can be used as a marker.
The number of repetitions of this operation (2f) or (3g) is not uniquely determined, and in consideration of the Cot value, each recovered DNA fraction obtained by operating once, twice,... N times. It is preferable to use a plurality of recovered DNA fractions for gene acquisition. This is because there is a possibility that useful genes can be obtained from a plurality of DNA fractions having different concentrations of microorganisms / organisms having different numbers in the first sample. As the operation is repeated, the smallest amount of genes can be obtained more easily.
    In a more preferred embodiment of the present invention, (4a) a DNA sample is divided into two (one DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction), and (4b) a restriction enzyme is used. The target DNA fraction is cleaved into long DNA (target DNA) having an average strand length of about 1000 base pairs or more, and one is cleaved into short DNA (driver DNA) having an average strand length of about 200 to 300 base pairs. (4c) The driver DNA is chemically biotinylated. (4d) The biotinylated driver DNA (the mixing amount is d) and the target DNA (the mixing amount is t) have a mixing ratio d / t exceeding 1 and not more than 1000, preferably 10 After mixing to a certain degree, the DNA in the mixed solution is made into a single strand, and then hybridized in a liquid phase. (4e) Add avidin dynabeads to the mixed solution and use it to remove double-stranded DNA formed by hybridizing the driver DNA and target DNA. That is, biotin attached to the driver DNA forms a complex with avidin. Therefore, the target DNA hybridized with the driver DNA is captured by the dynabead. Since the dyna beads can be easily removed by centrifugation, the double-stranded DNA formed by hybridizing the driver DNA and the target DNA together with the dyna beads can also be easily removed. At this time, double-stranded DNA formed by driver DNAs and single-stranded driver DNA are also removed. (4f) The method of performing the operation of (4d) and (4e) one or more times using the supernatant obtained in (4e) instead of the target DNA can be mentioned.
    By using the gene enrichment method according to the present invention as described above, a DNA sample characterized in that the abundance ratio of a trace amount gene to a large amount of gene before treatment increases after treatment can be obtained. Trace genes can be obtained from such DNA samples. Upon acquisition, for example, a method known per se such as the method described in Molecular Cloning, 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory (1989) is used. Good. Commercially available kits can also be used. In this case, if the adapter / linker sequence added is used, it can be easily cloned by a method known per se. The obtained trace gene can be decoded as it is, or can be inserted into an appropriate vector and subcloned, and then the nucleotide sequence can be decoded. Decoding of the base sequence may be performed using a method known per se based on the Maxam-Gibert method or the Sangar method, or a commercially available DNA sequencer may be used.
    The present invention also provides a kit for concentrating trace genes in the DNA sample. Specifically, a means for cleaving DNA, a labeling substance or carrier, a reagent for labeling DNA or a reagent for immobilizing DNA on a carrier, a reagent for hybridization, and driver DNA and target DNA A kit having a means for removing the double-stranded DNA formed by and is preferred. Here, the labeling substance or carrier is used for labeling the driver DNA or immobilizing the driver DNA in order to easily remove the double-stranded DNA formed by hybridizing the driver DNA and the target DNA. The “reagent for labeling DNA” is a reagent used for labeling driver DNA, and the “reagent for immobilizing DNA on a carrier” is a reagent used for immobilizing driver DNA. . Specifically, those described in the method for concentrating trace genes can be preferably used. In addition, regarding the configuration or form of the kit, a technique known per se may be used.
    The present invention also provides an apparatus for concentrating trace genes in a DNA sample. More specifically, (a) means for making DNA in a mixed solution of target DNA and labeled driver DNA single-stranded, (b) means for performing hybridization, and (c) labeling of driver DNA. A means for removing the double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA, and (d) a DNA solution from which the double-stranded DNA obtained in (c) is removed, instead of the target DNA ( A trace gene concentrating apparatus characterized by including means for repeating the means of b) and (c). About each means, it is the same as that of the description regarding the concentration method of the said trace gene. Moreover, the combination of each means may follow a method known per se. (A) means for cleaving DNA in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction so that the molecular weight of the driver DNA is lower than that of the target DNA, (b) means for labeling the driver DNA, or (C) A means for attaching a linker / adapter to the target DNA may be further combined.
In another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for concentrating trace genes in a DNA sample by (a) means for immobilizing a single-stranded driver DNA on a carrier, and (b) immobilizing the single-stranded driver DNA. A means for performing hybridization by contacting or mixing the carrier with a single-stranded target DNA solution; and (c) separating the carrier DNA and the target DNA by separating the carrier DNA and the solution. And (d) a means for repeating the means of (b) and (c) using the target DNA solution obtained in (c) instead of the target DNA solution. Examples include a gene concentrator. About each means, it is the same as that of the description regarding the concentration method of the said trace gene. Moreover, the combination of each means may follow a method known per se. Furthermore, (a) means for cleaving DNA in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction so that the molecular weight of the driver DNA is lower than that of the target DNA, and (b) attaching a linker / adapter to the target DNA (C) The driver DNA fraction and the target DNA fraction may each be further combined with a means for making the DNA single-stranded.
  Example
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
E. coli B strain DNA was purchased from Sigma Co. USA and human genomic DNA was purchased from CLONTECH Laboratories Inc., USA. The DNA of Bacillus pumilus was prepared from the cells using Gen Toru-kun (trade name, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd.).
In this example, the following restriction enzymes, buffers, reagents and the like were used. In addition, when using each restriction enzyme or reagent, the instruction manual for the product was used.
(A) Msp I (Takara Shuzo Co., Ltd.): 10 units / μl [solvent 10 mM KPOFour, 200 mM NaCl, 1 mM EDTA, 1 mM Dithiothreitol (DTT), 0.02% bovine serum albumin (hereinafter referred to as BSA), 50% glycerol (pH7.5))
(B) Sse 8387I (Takara Shuzo Co., Ltd.): 10 mM Tris-HCl (pH 7.5), 10 mM MgCl2, 1mM DTT, 50mM NaCl, 100μg / ml BSA
(C) TE: 10 mM Tris-HCl, pH 7.5
(D) 10 x M: 100 mM Tris-HCl, pH 7.5, 100 mM MgCl2, 10mM DTT, 500mM NaCl
(E) 10 x Mirus Labeling Buffer A (Mirus): 200 mM MOPS, pH 7.5
(F) 20 x SSC: 3M NaCl, 0.3M NaThree-citrate
(G) Formamide: 1/10 volume (weight / volume) of AG501-x8, 20-50 mesh, fully regenerated (BioRad Lab. USA) was added and rotated and mixed overnight.
(H) W x B: 5 mM Tris-HCl, 0.5 mM EDTA, 1 M NaCl
(I) Dynabeads (Dynabeads M-280 Streptavidin, Japan Dynal KK): 1 ml of Dynadyad suspension was separated into Dynabead and liquid phase using Dynal MPC, and Dynabeads were again tRNA (20 μg / ml). ) Suspend in containing W x B, separate beads and liquid phase with Dynal MPC. This was repeated once more. Finally, the Dynabeads were suspended in WxB containing tRNA (20 μg / ml), and the required amount of suspension was dispensed into test tubes.
  [Operation 1 Preparation of DNA mixture]
80 μg of E. coli DNA and 8 ng of Bacillus subtilis DNA were dissolved in 440 μl of TE to obtain solution A.
80 μg of human DNA, 80 ng of E. coli DNA, and 0.8 ng of Bacillus subtilis DNA were dissolved in 700 μl of TE to obtain solution B.
  [Operation 2 Preparation of driver DNA (DNA fragmentation and biotinylation)]
To A solution containing 75 μg of E. coli DNA and 7.5 ng of Bacillus subtilis DNA, add 120 μl of 10 × B, 600 units of Msp I and water to 1.2 ml and incubate at 37 ° C. for 2 hours to cleave the DNA. Subsequently, Msp I was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. The reaction solution was divided into three equal parts, and the DNA fragments were ethanol precipitated and collected by centrifugation (hereinafter referred to as E / B mixed DNA fragments).
Add 75 μg of human DNA, 75 ng of E. coli DNA, 0.75 ng of Bacillus subtilis DNA to solution B, add 120 μl of 10 × B, 600 units of Msp I, water to 1.2 ml and incubate at 37 ° C. for 2 hours. The DNA was cleaved, and then Msp I was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. The reaction solution was divided into three equal parts, and the DNA fragments were ethanol precipitated and collected by centrifugation (hereinafter referred to as H / E / B mixed DNA fragments).
Dissolve the precipitate in each tube (each containing 1/3 equivalent of mixed DNA fragments) in 200 µl water + 25 µl 10 x Mirus Labeling Buffer A, add 25 µl Mirus Label IT reagent, and react at 37 ° C for 2 hours. DNA was labeled with biotin. 25 μl of 5 M NaCl and 550 μl of ethanol were added and stored at −20 ° C. (hereinafter referred to as biotinylated E / B mix DNA fragment as E / B driver DNA, biotinylated H / E / B mix DNA fragment as H / E / B driver DNA).
  [Operation 3 Target DNA preparation (DNA fragmentation)]
Add 10 µl of 10 x M, 10 µl of 0.1% BSA, 20.4 units of Sse 8387I and water to solution A containing 2.5 µg of Escherichia coli DNA and 0.25 ng of Bacillus subtilis DNA, and incubate at 37 ° C for 2 hours. The DNA was cleaved, and then Sse 8387I was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. 20 μg of tRNA, 10 μl of 3M sodium acetate, and 220 μl of ethanol were added and stored at −20 ° C. (hereinafter, this fragmented DNA is referred to as E / B target DNA).
To B solution containing 2.5 μg human DNA, 2.5 ng E. coli DNA, 0.025 ng Bacillus subtilis DNA, 10 μl of 10 × M, 10 μl of 0.1% BSA, 20.4 units of Sse 8387I and water were added to make 100 μl at 37 ° C. The DNA was cleaved by incubating for 2 hours, and then Sse 8387I was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. 20 μg of tRNA, 10 μl of 3M sodium acetate, and 220 μl of ethanol were added and stored at −20 ° C. (hereinafter, this fragmented DNA is referred to as H / E / B target DNA).
  [Operation 4 Hybridization]
The test tube containing the ethanol precipitate of E / B target DNA was centrifuged at 15,000 rpm × 20 minutes, and the supernatant was discarded. To the same tube, 400 μl of an E / B driver DNA ethanol precipitation suspension was added and centrifuged at 15,000 rpm for 20 minutes. The supernatant was discarded, and a suspension of 425 μl of E / B driver DNA ethanol precipitate was added and centrifuged, and the supernatant was discarded. Dissolve the final precipitate in 9.28 μl water + 0.96 μl 3N NaOH at room temperature, quench on ice, add 0.96 μl 3N HCl + 50 mM Tris-HCl, pH 7.2, then 8 μl 20 x SSC, 20.8 μl formamide And mixed well. One drop of mineral oil was dropped, sealed with a lid, and kept at 37 ° C. to allow the hybridization reaction to proceed.
The target DNA of H / E / B and the driver DNA of H / E / B were treated in the same manner to advance the hybridization reaction.
N0Indicates a DNA solution in which the hybrid / non-hybrid operation was performed N times.
After 24 hours, 20 μl of the hybridization reaction was removed and added to a test tube containing 1 ml equivalent of Dynabead suspension. Remaining (10And 20) Was kept warm. The test tube was frequently mixed for 50 minutes while being kept warm in a 43 ° C. warm bath. Apply to Dynal MPC, leave it for a few minutes, divide the liquid phase into two equal parts, add each to 1 ml of chilled ethanol at −20 ° C., and leave it in a −80 ° C. freezer for 35 minutes. A precipitate was obtained by centrifugation at 15,000 rpm for 20 minutes. Precipitate in one test tube (A)80 μ l Water of +10 μ l of 3N NaOHThe whole amount was transferred to the other test tube (B) to dissolve the precipitate. On the other hand, 1/3 equivalent of driver DNA was centrifuged under the same conditions to separate the precipitate,80 μ l Water of +10 μ l of 3N NaOHThe test tube (A) was washed with 45 μl thereof, and the entire amount was washed into (B). After adding 15 μl of 3N HCl + 50 mM Tris pH 7.2 to (B), 300 μl of −20 ° C. ethanol was added and mixed, and left in a −80 ° C. freezer for 30 minutes or more. Into the precipitate obtained by centrifugation4.64 μ l Water of +0.48 μ l 3N NaOHAdd 0.45 μl of 3N HCl + 50 mM Tris-HCl, pH 7.2, 4 μl of 20 x SSC, 10.4 μl of formamide, and overlay with 1 drop of mineral oil. And kept at 37 ° C.
After 20 hours, 40 μl of tRNA (20 μg / ml) -containing W × B was added and mixed. Mineral oil was removed as much as possible, chloroform saturated with TE was added, and chloroform extraction was performed according to a conventional method. The aqueous phase was made up to 1 ml with WxB containing tRNA (20 μg / ml) and added to a test tube containing 1 ml equivalent of washed Dynabeads. The mixture was incubated at 43 ° C for 50 minutes, and mixed every 1 to 2 minutes. Apply to Dynal MPC, leave it for a few minutes, divide the liquid phase into 2 ml and add each to a test tube containing 1 ml of ethanol cooled to -20 ° C, leave it in a -80 ° C freezer for 35 minutes or more, and then 15,000 rpm x 20 A precipitate was obtained by centrifugation for minutes. Dissolve the precipitate in 50 μl water + 5 μl 3N NaOH each at room temperature, add to one driver DNA precipitate, add 10 μl 3N HCl + 50 mM Tris pH 7.2, then 220 μl ethanol at −20 ° C. And left in a freezer at −80 ° C. for 50 minutes or longer. To the precipitate obtained by centrifugation,4.64 μ l Water of +0.48 μ l 3N NaOHAdd 0.45 μl of 3N HCl + 50 mM Tris-HCl, pH 7.2, 4 μl of 20 x SSC, 10.4 μl of formamide, and layer with 1 drop of mineral oil. And kept at 37 ° C.
After 213 hours and 50 minutes, take 10 μl, add 40 μl of tRNA (50 μg / ml) -containing W x B, remove mineral oil as described above, transfer to a test tube containing 500 μl equivalent of washed Dynabeads, It was attached to a rotator and rotated and mixed overnight at room temperature. The liquid phase was separated by Dynal MPC and treated with 0.05 ml equivalent of washed Dynabeads to obtain the final liquid phase, from which DNA was recovered by ethanol precipitation (30).
Meanwhile, (10And 2010 μl was taken out after 119 hours and 5 minutes. The rest was kept warm. 10 μl taken out was treated with 0.5 ml equivalent of washed Dynabeads and recovered as an ethanol precipitate together with 1/6 equivalent of driver DNA as described above. 9.28 to precipitateμ l Water of +0.96 μ l 3N NaOHAdd 0.95 μl of 3N HCl + 50 mM Tris-HCl, pH 7.2, 8 μl of 20 x SSC, 20.8 μl of formamide, and overlay with 1 drop of mineral oil. Then, it was kept at 37 ° C. for 87 hours and 10 minutes. After demineralized oil, the liquid phase obtained by treatment with 1 ml equivalent of washed dynabeads was further treated with 0.1 ml equivalent of washed dynabeads to obtain the final liquid phase, from which nucleic acid was recovered by ethanol precipitation (20).
The remainder of the incubation was kept at 37 ° C. for a total of 289 hours and 20 minutes, and then similarly treated with 0.5 ml and then 0.05 ml of washed dynabeads to obtain the final liquid phase, from which nucleic acid was recovered by ethanol precipitation (10).
Finally, 0.5 μl etatinate and 20 μl 0.3N NaOH are added to all recovered nucleic acid precipitates and treated at 37 ° C. for 1.5 hours to decompose and remove excess tRNA. 20 μl 0.3N HCl + 5 mM Tris- After adding HCl, pH 7.2, DNA was collected by ethanol precipitation and dissolved in TE.
The flow of the above experiment was displayed (FIG. 3). In addition, the heat retention time of each fraction and the Cot calculated therefrom are summarized in the following table.
  Table 1
Figure 0004304318
[Test Example 1 Search for Genes in Each Nucleic Acid Fraction]
Dissolve the precipitate in TE, add a portion of the solution and add 25 μl PCR reaction solution (2.5 μl 10 x PCR Buffer, 2 μl dNTP, 0.25 μl rTaq, 1 μl primer set, template DNA, H2Add O to make 25 μl), add a drop of mineral oil, seal, perform 35 cycles of 94 ° C for 1 minute, 60 ° C for 1 minute, 72 ° C for 2 minutes, and leave at 72 ° C for 8 minutes. The temperature was lowered to 23 ° C. The primer set used was a mixture of 0.5 μl of Ef and Er (for E. coli gene), Bf and Br (for Bacillus subtilis gene), and Hf and Hr (for human gene).
Each of the following oligonucleotides was dissolved in TE to make a 100 μM solution and used as the primer.
(A) E. coli: ompA ecompa.gb_bal, 1-2721 The following part of CDS 172-669 was used as a primer.
Ef 1102-1119: 5 'TCCGAAAGATAACACCTG 3' (SEQ ID NO: 1)
Er 1892-1908: 5 'GGGATACCTTTGGAGAT 3' (SEQ ID NO: 2)
The amplified product by PCR is 807 base pairs.
(B) Bacillus subtilis: xynA bpxyna.gb_bal, 1-1070 The following part of CDS 61-747 is used as a primer.
Bf 243-260: 5 'ATTTAGTGCAGGCTGGAA 3' (SEQ ID NO: 3)
Br 650-672: 5 'CGTTTCATACATTTTCCCCATTG 3' (SEQ ID NO: 4)
The amplified product by PCR is 430 base pairs.
(C) Human: The following portions of IL5h j03478.gb_pr2, 1-3230 were used as primers.
Hf 1600-1629: 5 'ACTTTTTGAAAATTTTATCTTAATATGTGG 3' (SEQ ID NO: 5)
Hr 1981-2007: 5 'TGGCCGTCAATGTATTTCTTTATTAAG 3' (SEQ ID NO: 6)
The amplification product by PCR is 408 base pairs.
The following solutions were used as other solutions.
(I) 10 x PCR Buffer: 100 mM Tris-HCl, pH 8.3 +500 mM KCl + 15 mM MgCl2
(Ii) dNTP mix: dATP + dGTP + dCTP + dTTP 2.5mM each
(Iii) Taq: 5 units / μl (Solvent: 20 mM Tris-HCl + 100 mM KCl + 0.1 mM EDTA + 1 mM DTT + 0.5% Tween 20 + 0.5% Nonidet P-40 + 50% Glycerol (Glycerol))
(Iv) DNA template
[Result 1]
As shown in FIG. 4A, the bands of the PCR products of the E. coli DNA and Bacillus subtilis gene in the E / B DNA mixture well reflected the amount of each DNA. This is performed once in hybridization (10When applied, the amounts of E. coli and Bacillus subtilis genes were almost the same. 2 more times (20), 3 times (30), E. coli gene << Bacillus subtilis gene (Fig. 5A). That is, the Escherichia coli DNA that occupied the majority was preferentially removed. This indicated that the relative enrichment far exceeded 10,000 times.
As seen in FIG. 4B, the bands of the PCR product of the human gene, E. coli gene, and Bacillus subtilis gene in the H / E / B DNA mixture well reflected the amount of each DNA. Since the Bacillus subtilis gene is very small in the DNA mixture, there are more non-specific bands compared to the case where only Bacillus subtilis DNA is present in a very small amount, and the specific 430 base pair band is Slightly observed. This is hybridized 3 times (30), It was found that the E. coli gene was significantly enriched compared to the human gene (FIG. 5B). By comparison with the control PCR (FIG. 4B), the human gene was several tens of times and the E. coli gene was 5 to 10 times, so it was calculated that the human gene was concentrated several hundred times. As for the Bacillus subtilis gene, the non-specific band disappears, and the specific band can be clearly identified, and it can be seen that significant enrichment was achieved compared to the contaminated DNA. At this time, the fact that the concentration is not particularly remarkable as compared with the E. coli gene can be interpreted as supporting that the human DNA that was initially present in excess was specifically removed.
Example 2
Sulfolobus shibatae, a thermoacidophilic bacterium, is selected as a rare microorganism, S. shibatae DNA and E. coli DNA are mixed, and the same experiment as in Example 1 is performed to selectively remove E. coli DNA. As a result, it was confirmed that S. shibatae DNA, which is present only in a thousandth of the E. coli DNA, was relatively concentrated. DNA of S. shibatae was prepared from the cells using Gen Toru-kun (trade name, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd.).
In Example 2, the same restriction enzymes, buffers, reagents and the like as in Example 1 were used, but the following were used as those not described in Example 1.
(a) 10 x Mirus Labeling Buffer A (Mirus): 200 mM MOPS, pH 7.5
(b) Glycogen: 20mg / ml
(c) MAGNOTEX-SA (Takara Shuzo Co., Ltd.): Hybridized DNA was removed using the MAGNOTEX-SA kit by the method described in the kit manual. That is, 50 μl (1 mg) of MAGNOTEX-SA was put in a 1.5 ml tube, and the tube was left on a magnetic stand for 1 minute, and then the supernatant was removed. The biotin-labeled DNA solution and an equal amount of 2 x Binding Buffer attached to this kit were mixed, added to the tube, mixed, and allowed to stand at room temperature for 10 minutes. After leaving the tube on a magnetic stand for 1 minute, the supernatant was collected. Further, 200 μl of 1 × Binding Buffer was added to MAGNOTEX-SA for washing, and washing was repeated once more. After mixing, the tube was left on a magnetic stand for 1 minute, and the supernatant was collected.
  [Operation 1 Preparation of DNA mixture]
80 μg of E. coli DNA and 80 ng of S. shibatae DNA were dissolved in 440 μl of TE to obtain solution A.
  [Operation 2 Preparation of driver DNA (DNA fragmentation and biotinylation)]
To A solution containing 75 μg E. coli DNA and 75 ng S. shibatae DNA, add 120 μl of 10 × B, 600 units of Msp I and water to 1.2 ml, and incubate at 37 ° C. for 2 hours to cleave the DNA. Subsequently, MspI was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. The reaction solution was divided into three equal parts, and the DNA fragments were ethanol precipitated and collected by centrifugation (hereinafter referred to as E / S mixed DNA fragments).
Dissolve the precipitate in each tube (each containing 1/3 equivalent of E / S mix DNA fragment) in 200 μl water + 25 μl 10 x Mirus Labeling Buffer A, add 25 μl Mirus Label IT reagent, and add to 37 ° C. For 2 hours, and the DNA was labeled with biotin. 25 μl of 5M NaCl and 550 μl of ethanol were added and stored at −20 ° C.
  [Operation 3 Preparation of Target DNA (Partial Decomposition of DNA)]
To solution A containing 2.5 μg of S. shibatae DNA, add 10 μl of 10 × M, 10 μl of 0.1% BSA, 20.4 units of Sse 8387I and water to 100 μl, and incubate at 37 ° C. for 2 hours to cleave the DNA. Subsequently, Sse 8387I was inactivated by treatment at 60 ° C. for 15 minutes. 10 μg of NaOAc, 220 μl of ethanol, and 1 μl of glycogen were added and stored at −20 ° C. (hereinafter referred to as E / S target DNA fragment).
  [Operation 4 Hybridization]
The test tube containing the ethanol precipitate of E / S target DNA was centrifuged at 15000 rpm × 20 minutes, and the supernatant was discarded. 400 μl of an ethanol precipitation suspension of E / S driver DNA was added to the same tube and centrifuged at 15000 rpm × 20 minutes. The supernatant was discarded, and 425 μl of an E / S driver DNA ethanol suspension was added and centrifuged. The supernatant was discarded. Dissolve the final precipitate in 9.28 μl water + 0.96 μl 3N NaOH at room temperature, quench on ice, add 0.96 μl 3N HCl + 50 mM Tris-HCl, pH 7.2, then add 8 μl 20 × SSC, 20.8 μl formamide. Mix well, add this to 00It was. One drop of mineral oil was dropped, sealed with a lid, and kept at 37 ° C. to allow the hybridization reaction to proceed. After 24 hours, 10 μl of the hybridization reaction solution was taken out, and biotin-labeled DNA was removed with 1 mg of MAGNOTEX-SA. 20 μl of NaOAc, 500 μl of −20 ° C. ethanol, and 1 μl of glycogen are added to the collected supernatant, and a precipitate is obtained by centrifugation at 15000 rpm × 15 minutes.0It was.
In addition, 10 μl of the remaining hybridization reaction solution (20), 20 μl (30) In each case, biotin-labeled DNA was removed by MAGNOTEX-SA. 20 μl of NaOAc, 500 μl of −20 ° C. ethanol and 1 μl of glycogen were added to the collected supernatant, and a precipitate was obtained by centrifugation at 15000 rpm × 15 minutes (20Precipitation: A, 30Precipitation: B). Meanwhile, 1/3 equivalent (20) And 1 bottle (30The driver DNA of) is centrifuged under the same conditions to separate the precipitate,80 μl of water +10 μl 3N NaOHThen, A and B were dissolved in the total amount. After adding 15 μl of 3N HCl + 50 mM Tris-HCl pH 7.2, 300 μl of −20 ° C. ethanol was added and mixed, and the mixture was left in a −80 ° C. refrigerator for 30 minutes or more. Into the precipitate obtained by centrifugation4.64 μl of water+0.48μl 3N NaOHAdd 0.45 μl 3N HCl + 50 mM Tris-HCl pH 7.2, 4 μl 20 x SSC, 10.4 μl formamide and layer one drop of mineral oil. And kept at 37 ° C. After 24 hours, 10 μl of the hybridization reaction solution is removed from the test tube of A, and the target DNA is recovered by the same procedure as above.0It was.
For B, biotin-labeled DNA was removed in the same manner, the supernatant was collected, and a precipitate was obtained by centrifugation at 15000 rpm for 15 minutes (30Precipitation: C). Centrifuge 1/3 equivalent of driver DNA to separate the precipitate,50 μl of water +10 μl 3N NaOHThen, C was dissolved in the whole amount. 10 μl of 3N HCl + 50 mM Tris pH 7.2 was added, 300 μl of −20 ° C. ethanol was added and mixed, and the mixture was left in a −80 ° C. refrigerator for 50 minutes or more. Into the precipitate obtained by centrifugation4.64 μl of water +0.48 μl 3N NaOHAdd 0.45 μl 3N HCl + 50 mM Tris-HCl pH 7.2, 4 μl 20 x SSC, 10.4 μl formamide and layer one drop of mineral oil. And kept at 37 ° C. After 24 hours, 10 μl of the hybridization reaction solution is removed from the C tube, and the target DNA is recovered by the same procedure.0It was. Finally, all recovered DNA precipitates were dissolved in 50 μl of 1 × TE.
  [Test Example 1 Search for Genes in DNA Fraction]
25 μl PCR reaction (2.5 μl 10 x PCR Buffer, 2 μl dNTP, 0.25 μl rTaq, 1 μl primer set, 3 μl template DNA, H2Prepare 25 μl by adding O) and perform 35 cycles of PCR at 94 ° C for 1 minute, 60 ° C for 1 minute, 72 ° C for 2 minutes with Thermal cycler (Takara Shuzo Co., Ltd.) and leave at 72 ° C for 8 minutes. The temperature was lowered to 4 ° C. As primer sets, 0.5 μl of Ef and Er (for E. coli gene) and Sf and Sr (for S. shibatae gene) were used, respectively.
Each of the following oligonucleotides was dissolved in TE to make a 100 μM solution, which was used as the primer.
(A) Escherichia coli: The following part of the ompA gene (ecompa.gb_bal) was used as a primer.
Ef2 5'-TCCGAAAGATAACACCTG-3 '(SEQ ID NO: 7)
Er2 5'-GGGATACCTTTGGAGAT-3 '(SEQ ID NO: 8)
The amplified product by PCR is 807 base pairs.
(B) S. shibatae: The following part of the esterase gene (EstI) was used as a primer.
Sf 5'-ATGCCCCTAGATCCTCGAATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Sr 5'-TCAACTTTTATCATAAAATGTACG-3 '(SEQ ID NO: 10)
The amplification product by PCR becomes 918 base pairs.
The following solutions were used as other solutions.
(I) 10 x PCR Buffer: 100 mM Tris-HCl, pH 8.3 + 500 mM KCl + 15 mM MgCl2
(Ii) dNTPmix: dATP + dGTP + dCTP + dTTP 2.5 mM each
(Iii) Taq: 5 units / μl (solvent: 20 mM Tris-HCl + 100 mM KCl + 0.1 mM EDTA + 1 mM DTT + 0.5% Tween20 + 0.5% Nonidet P-40 + 50% glycerol)
(Iv) DNA template
  [Test Example 2 Quantification by Real-Time PCR]
In order to analyze the abundance ratio of each gene in the DNA mixture, the state of amplification for each cycle was analyzed by real-time PCR. Since it is impossible to analyze the abundance ratio of each gene using the PCR method described above, the abundance ratio of the E. coli gene and the S. shibatae gene is analyzed using the LightCycler Quick System 330 (Roche Diagnostics). did.
The PCR reaction solution composition is 5 μl template DNA, 2 μl LightCycler-DNA master SYBR GreenI, 1 μl primer set, 1.6 μl 25 mM MgCl2At a final concentration of 3 mM, water was added to 20 μl.
Each of the following oligonucleotides was dissolved in TE to make a 10 μM solution and used as the primer.
(A) Escherichia coli: The following part of the ompA gene (ecompa.gb_bal) was used as a primer.
Ef2 5'-TCCGAAAGATAACACCTG-3 '(SEQ ID NO: 7)
Er2 5'-GGGATACCTTTGGAGAT-3 '(SEQ ID NO: 8)
The amplified product by PCR is 807 base pairs.
(B) S. shibatae: The following part of the esterase gene (EstI) was used as a primer.
Sf 5'-ATGCCCCTAGATCCTCGAATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Sr 5'-TCAACTTTTATCATAAAATGTACG-3 '(SEQ ID NO: 10)
The amplification product by PCR becomes 918 base pairs.
[Result 2]
As shown in FIG. 7, the E. coli gene band gradually decreased as the concentration increased.0It can be seen that it has been completely removed. On the other hand, the S.shibatae gene can be confirmed to be almost the same amount throughout the series of steps (note that the primer on the low molecular weight side is a dimer). The reason why there are many non-specific bands as a whole is thought to be because the target DNA was partially digested with Sau3A1.
E. The amplification curve of coli DNA shows that target DNA is 18.2 cycles, 1020.74 cycles of DNA, 2023.31 cycles of DNA, 30The DNA has entered the exponential growth phase at 23.80 cycles, which means that the target DNA has the largest number of copies, and 10, 20, 30It can be seen that E. coli DNA, which occupied the majority, was preferentially removed.
On the other hand, the amplification curve of S. shibatae DNA is the target DNA, 1019.22 cycles of DNA, 2020.58 cycles of DNA, 30Both DNA have 20.65 cycles, 10→ 20However, the abundance ratio has hardly changed even after a series of enrichment processes compared to the rate of E. coli. Moreover, E. coli DNA and S. shibatae DNA became substantially the same amount by two times of hybridization, and it became E. coli DNA << S.shibatae DNA by three times of hybridization. From the above results, E. coli DNA shown in the electrophoresis results of FIG. 7 is selectively removed by analyzing the abundance ratio of each gene in the DNA mixture using the real-time PCR method. It was confirmed quantitatively.
Industrial applicability
By using the trace gene enrichment method, trace gene enrichment kit, or trace gene enrichment apparatus according to the present invention, it is possible to concentrate trace genes in a DNA sample until the amount is larger than that of a large quantity of genes. Moreover, it is not necessary to know a large amount of genes to be removed from the DNA sample. Therefore, there is an advantage that DNA or the like extracted from a natural sample such as soil, lake water or river water can be used as a sample.
By concentrating trace genes in this way, the total number of clones in the gene library to be screened for cloning the genes can be greatly reduced. The result is a significant reduction in human labor, costs and time. Therefore, useful genes such as genes of enzymes important for chemical industry, lead compounds of pharmaceuticals and agricultural chemicals, and synthetic genes of antibiotics can be obtained more easily and more quickly than conventional methods. In addition, a cell surface antigen gene is obtained using a method for concentrating trace genes according to the present invention, an antibody is produced using the gene or gene information, and a cell or microorganism having the antigen is identified. In addition, the cells or microorganisms can be isolated using a cell sorter such as FACS. Furthermore, a new useful gene can be obtained by analyzing the base sequence of the whole genome of the isolated cell or microorganism. In addition, by concentrating the genes of microorganisms that are parasitic or infecting animals and plants, including humans, using the method or apparatus according to the present invention, it is possible to identify parasitic and infectious microorganisms, and further clarify the functions of the genes. A wide variety of applications are possible, such as making it possible to use them.
[Sequence Listing]
Figure 0004304318
Figure 0004304318
Figure 0004304318

[Brief description of the drawings]
Figure 1 shows the genome size and Cot1/2Shows the relationship. More specifically, it shows the re-formation of various double-stranded nucleic acids. The genome size is shown as a nucleotide pair at the top of the figure (Neochemistry Laboratory, Nucleic Acid I, page 200).
FIG. 2 shows the reformation of calf thymus DNA. Δ (open triangle) represents a sample with a calf thymus DNA concentration of 2 μg / ml, ● represents a sample with a calf thymus DNA concentration of 10 μg / ml, and ○ represents a calf thymus DNA concentration of 600 μg / ml. represents a sample of ml, Δ (filled triangle) represents a sample with a calf thymus DNA concentration of 8,600 μg / ml, and + represents a calf thymus of 8,600 μg / ml with 43 μg / ml of radiolabeled E. coli DNA as an internal standard. Represents a sample to which DNA has been added (New Chemistry Laboratory, Nucleic Acid I, page 199).
FIG. 3 shows the operation flow of the embodiment.
FIG. 4 (A) shows that 4 μl of the E / B target DNA Sse8387I-treated fraction was amplified by PCR, and 10 μl was subjected to 3% agarose gel electrophoresis at 100 volts for 40 minutes in the usual manner. The electrophoresis gel when stained with bromide is shown. Lane 1: Escherichia coli gene, Lane 2: Bacillus subtilis gene, Lane 3: Yeast gene (reference), Lane 4: Size marker DNA (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 from the bottom) , 1,000, 1,200, 1,500 base pairs.
FIG. 4 (B) shows that 4 μl of the H / E / B target DNA Sse8387I-treated fraction was amplified by PCR, 10 μl was subjected to 3% agarose gel electrophoresis by a conventional method at 100 volts for 40 minutes, The electrophoresis gel when stained with ethidium bromide is shown. Lane 1: Size marker DNA, Lane 2: Human gene, Lane 3: E. coli gene, Lane 4: Bacillus subtilis gene
Fig. 5 (A) shows the result of dissolving the alkali-treated and ethanol-precipitated nucleic acid in 18 µl water + 1 µl TE, adding 10xPCR Buffer, Bx10, dNTP, rTaq, and primer set to make 25 µl of the reaction solution. An electrophoresis gel is shown in which a portion of is subjected to 3% agarose gel electrophoresis at 100 volts for 40 minutes in the usual manner and stained with ethidium bromide. Lanes 1, 2, 4, 5, 7, and 8 used 3 μL, and Lanes 3 and 6 used a portion of 9 μL. Lane 1: 10E. coli gene, lane 2: 10Bacillus subtilis gene, lane 3: 20E. coli gene, lane 4: 20E. coli gene, lane 5: 20Bacillus subtilis gene, lane 6: 30E. coli gene, lane 7: 30E. coli gene, lane 8: 30Bacillus subtilis gene, Lane 9: Size marker DNA
FIG. 5 (B) shows a solution of alkali-treated and ethanol-precipitated nucleic acid dissolved in 18 μl water + 1 μl TE, 10 × PCR Buffer, Bx10, dNTP, rTaq, and primer set are added to make a 25 μl reaction solution. An electrophoresis gel is shown when a part of the reaction solution is subjected to 3% agarose gel electrophoresis at 100 volts for 40 minutes in the usual manner and stained with ethidium bromide. Lane 1: size marker DNA, lane 2: 30Human gene, lane 3: 30E. coli gene, lane 4: 30Bacillus subtilis gene
FIG. 6 shows the flow of operations in one embodiment of the trace gene enrichment method of the present invention. The dotted line shows the flow of operation when detecting the removal state of a large amount of genes.
FIG. 7 shows the results of Test Example 1 of Example 2. Target DNA (00) 102030Each gene was amplified by PCR. 8 μl was subjected to electrophoresis with 0.8% agarose (manufactured by Nippon Gene Co., Ltd.) at 100 V for 30 minutes and stained with ethidium bromide. A λ-Hind III digest was used as a size marker. Lane 1: Size marker DNA (λ-Hind III), Lane 2: 00E. coli gene, lane 3: 00S. shibatae gene, lane 4: 10E. coli gene, lane 5: 10S. shibatae gene, lane 6: 20E. coli gene, lane 7: 20S. shibatae gene, lane 8: 30E. coli gene, lane 9: 30S. shibatae gene, lane 10: PCR reaction solution containing no E. coli template DNA, lane 11: S. p. PCR reaction solution containing no shibatae template DNA

Claims (13)

微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法。
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ターゲットDNAとドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にする。または、ターゲットDNAおよびドライバーDNAを一本鎖にした後、混合する。
(c)ハイブリダイゼーションを行い、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。
(d)ターゲットDNAの代わりに、(c)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて、(b)と(c)の操作を1または複数回行う。
Concentration of genes present in trace amounts, characterized in that DNA samples containing genes present in trace amounts and genes present in large amounts are subjected to the following operations to separate genes present in trace amounts from genes present in large amounts Method.
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The target DNA and the driver DNA are mixed, and the DNA in the mixed solution is made into a single strand. Alternatively, the target DNA and driver DNA are mixed into a single strand.
(C) Hybridization is performed, and the double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA is removed from the mixed solution.
(D) The operations of (b) and (c) are performed one or more times using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in (c) instead of the target DNA.
微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法。
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを切断する。但し、このときドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるようにする。
(c)ドライバーDNAを標識する。
(d)ターゲットDNAと過剰量の標識されたドライバーDNAとを混合し、混合した溶液中のDNAを一本鎖にしたのち、ハイブリダイゼーションを行う。
(e)ドライバーDNAの標識によって、ドライバーDNAとターゲットDNAとが形成する二本鎖DNAを上記混合溶液から除去する。
(f)ターゲットDNAの代わりに、(e)で得られる二本鎖DNAを除去したDNA溶液を用いて(d)と(e)の操作を1または複数回行う。
Concentration of genes present in trace amounts, characterized in that DNA samples containing genes present in trace amounts and genes present in large amounts are subjected to the following operations to separate genes present in trace amounts from genes present in large amounts Method.
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The DNA is cleaved in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction. However, at this time, the molecular weight of the driver DNA is set to be lower than that of the target DNA.
(C) Label the driver DNA.
(D) The target DNA and an excessive amount of labeled driver DNA are mixed, the DNA in the mixed solution is made into a single strand, and then hybridization is performed.
(E) The double-stranded DNA formed by the driver DNA and the target DNA is removed from the mixed solution by labeling the driver DNA.
(F) The operations of (d) and (e) are performed one or more times using the DNA solution obtained by removing the double-stranded DNA obtained in (e) instead of the target DNA.
(c)において、さらに、ターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着することを特徴とする請求項2に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The method for concentrating a gene present in a trace amount according to claim 2, further comprising attaching a linker adapter to the target DNA in (c). ドライバーDNAの混合量(d)とターゲットDNAの混合量(t)との比d/tが、1を超えて1000以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The ratio d / t of a mixed amount of driver DNA (d) and mixing the amount of target DNA and (t) is a trace amount of any one of claims 1 to 3, wherein the 1000 or less than 1 Of enriching genes present in ドライバーDNAが、ビオチン、ジゴキシン、フルオレセインまたはローダミンで標識されることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The method for concentrating a gene present in a trace amount according to any one of claims 2 to 4 , wherein the driver DNA is labeled with biotin, digoxin, fluorescein or rhodamine. ドライバーDNAの平均鎖長が200〜300塩基対であり、ターゲットDNAの平均鎖長が1000塩基対以上であることを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The average chain length of the driver DNA is 200-300 bp, genes present in a trace amount of any one of claims 2-5 having an average chain length of the target DNA is characterized in that 1000 bp or more Concentration method. DNAの切断が、ドライバーDNA画分では4塩基認識制限酵素により、ターゲットDNA画分では5〜8塩基認識制限酵素により行われることを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。Cleavage of DNA is, by 4 base recognition restriction enzymes in the driver DNA fraction, the small amount of any of claims 2-6 in which the target DNA fraction characterized by being carried out by 5-8 base recognition restriction enzyme A method for enriching existing genes. DNAの切断が、ドライバーDNA画分ではMsp Iにより、ターゲットDNA画分ではSse 8387Iにより行われることを特徴とする請求項に記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The method for concentrating a gene present in a trace amount according to claim 7 , wherein the DNA is cleaved by Msp I in the driver DNA fraction and by Sse 8387I in the target DNA fraction. DNAの切断が、超音波または機械的剪断力により行われることを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。The method for concentrating a gene present in a trace amount according to any one of claims 2 to 6, wherein the DNA is cleaved by ultrasonic waves or mechanical shearing force. 微量に存在する遺伝子と多量に存在する遺伝子を含むDNA試料を、以下の操作に付して微量に存在する遺伝子を多量に存在する遺伝子から分離することを特徴とする微量に存在する遺伝子の濃縮方法。
(a)DNA試料を2分する。一方のDNA試料をドライバーDNA画分、他方のDNA試料をターゲットDNA画分とする。
(b)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを切断する。但し、このときドライバーDNAの分子量がターゲットDNAに対して低分子量となるようにする。
(c)ドライバーDNA画分およびターゲットDNA画分それぞれにおいて、DNAを一本鎖にする。
(d)一本鎖にしたドライバーDNAを担体に固定する。
(e)一本鎖ドライバーDNAが固定化された担体を、一本鎖にしたターゲットDNAの溶液に接触または混合し、ハイブリダイゼーションを行う。
(f)担体と溶液を分離することによって、ドライバーDNAと二本鎖を形成したターゲットDNAを除去する。
(g)ターゲットDNAの溶液の代わりに、(f)で得られるターゲットDNAの溶液を用いて、(e)と(f)の操作を1または複数回行う。
Concentration of genes present in trace amounts, characterized in that DNA samples containing genes present in trace amounts and genes present in large amounts are subjected to the following operations to separate genes present in trace amounts from genes present in large amounts Method.
(A) Divide the DNA sample into 2 minutes. One DNA sample is a driver DNA fraction and the other DNA sample is a target DNA fraction.
(B) The DNA is cleaved in each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction. However, at this time, the molecular weight of the driver DNA is set to be lower than that of the target DNA.
(C) In each of the driver DNA fraction and the target DNA fraction, the DNA is made into a single strand.
(D) Immobilize single-stranded driver DNA on a carrier.
(E) A carrier on which a single-stranded driver DNA is immobilized is brought into contact with or mixed with a single-stranded target DNA solution to perform hybridization.
(F) By separating the carrier and the solution, the target DNA that forms a double strand with the driver DNA is removed.
(G) The operations of (e) and (f) are performed one or more times using the target DNA solution obtained in (f) instead of the target DNA solution.
b)において、さらに、ターゲットDNAにリンカー・アダプターを付着することを特徴とする微量に存在する請求項10に記載の遺伝子の濃縮方法。 The method for concentrating genes according to claim 10, wherein in ( b), a linker adapter is further attached to the target DNA. DNA試料が、少なくとも2種類以上の微生物、生物、生物組織もしくは細胞が混在する標品から抽出したDNA試料、または生物個体、生物組織もしくは細胞から抽出した核酸および/もしくはその核酸より調製したDNA試料であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の微量に存在する遺伝子の濃縮方法。A DNA sample extracted from a sample in which at least two types of microorganisms, organisms, biological tissues or cells are mixed, or a nucleic acid extracted from a living individual, biological tissue or cells and / or a DNA sample prepared from the nucleic acid The method for concentrating a gene present in a trace amount according to any one of claims 1 to 11, wherein: 請求項1〜11のいずれかに記載の方法で微量に存在する遺伝子(以下、「微量遺伝子」という)を濃縮する工程、得られた微量遺伝子が濃縮されたDNA試料から微量遺伝子を取得する工程および微量遺伝子の塩基配列を解析する工程よりなることを特徴とする微量遺伝子を解析する方法。Gene present in trace amounts in the process according to any one of claims 1 to 11 (hereinafter, referred to as "trace genes") step of concentrating the step of trace genes obtained acquires trace genes from the concentrated DNA samples And a method for analyzing a trace gene, comprising the step of analyzing the base sequence of the trace gene.
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